Wasserchemie - Chemie
Wasserchemie - Chemie
Einleitung
Die Wasserchemie untersucht die Eigenschaften von Wasser, gelöste Stoffe und chemische Reaktionen in wässrigen Lösungen. Im Alltag begegnet sie Dir beim Trinken, Kochen, Waschen, Schwimmen und beim Blick auf Flüsse oder Seen. In der Chemie ist Wasser außerdem eines der wichtigsten Lösungsmittel.
In diesem aiMOOC lernst Du den Bau des Wassermoleküls, die Bedeutung von Wasserstoffbrücken, den pH-Wert, die elektrische Leitfähigkeit, die Wasserhärte, die Untersuchung von Wasser und wichtige Schritte der Wasseraufbereitung kennen. Das Niveau richtet sich vor allem an den Chemieunterricht der Sekundarstufe I.
Das Wassermolekül
Ein Wassermolekül besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Seine Summenformel lautet . Die Atome liegen nicht auf einer geraden Linie. Der Bindungswinkel beträgt ungefähr 104,5°. Dadurch und wegen der unterschiedlichen Elektronegativität entsteht ein Dipolmolekül: Am Sauerstoff befindet sich eine negative Teilladung, an den Wasserstoffatomen positive Teilladungen.
Die Teilladungen werden mit und gekennzeichnet. Sie erklären, warum Wassermoleküle einander anziehen und warum Wasser viele Ionen und polare Stoffe lösen kann.
Wasserstoffbrücken und besondere Eigenschaften
Zwischen dem positiv polarisierten Wasserstoffatom eines Moleküls und dem negativ polarisierten Sauerstoffatom eines anderen Moleküls bilden sich Wasserstoffbrücken. Eine einzelne Wasserstoffbrücke ist schwächer als eine Atombindung. Viele Wasserstoffbrücken zusammen beeinflussen die Eigenschaften des Wassers jedoch stark.
Wasser besitzt deshalb eine vergleichsweise hohe Siedetemperatur, eine hohe Wärmekapazität und eine deutliche Oberflächenspannung. Beim Gefrieren entsteht eine lockere Struktur. Eis hat daher eine geringere Dichte als flüssiges Wasser und schwimmt oben. Diese Dichteanomalie schützt Gewässer im Winter: Eine Eisdecke kann das tiefere Wasser gegen starke Abkühlung abschirmen.
Wasser als Lösungsmittel
Wasser löst besonders gut Ionenverbindungen und viele polare Moleküle. Beim Lösen von Kochsalz werden die Natrium- und Chloridionen aus dem Ionengitter herausgelöst. Wassermoleküle ordnen sich um die Ionen an. Diese Hülle heißt Hydrathülle.
Vereinfacht lässt sich der Lösungsvorgang so schreiben:
Das Zeichen bedeutet, dass ein Teilchen in Wasser gelöst und hydratisiert ist. Unpolare Stoffe wie viele Öle lösen sich schlecht in Wasser. Als Merksatz gilt: Ähnliches löst sich in Ähnlichem.
Konzentration und Löslichkeit
Die Stoffmengenkonzentration beschreibt, wie viel Stoffmenge in einem bestimmten Lösungsvolumen enthalten ist:
Dabei ist die Konzentration, die Stoffmenge und das Volumen der Lösung. Eine Einheit ist . Die Löslichkeit gibt an, wie viel eines Stoffes sich bei einer bestimmten Temperatur höchstens lösen kann. Ist diese Menge erreicht, heißt die Lösung gesättigt.
Reines Wasser, Ionen und pH-Wert
Auch sehr reines Wasser enthält geringe Mengen an Ionen. Zwei Wassermoleküle können ein Proton übertragen. Diese Reaktion heißt Autoprotolyse:
Dabei entstehen Oxoniumionen und Hydroxidionen . In neutralem Wasser liegen beide Ionensorten in gleicher Konzentration vor.
Die pH-Skala
Der pH-Wert beschreibt, wie sauer oder basisch eine wässrige Lösung ist. Für verdünnte Lösungen wird er über die Konzentration der Oxoniumionen beschrieben:
Bei 25 °C gilt im üblichen Schulmodell: pH 7 ist neutral, Werte unter 7 sind sauer und Werte über 7 sind basisch. Die Skala ist logarithmisch. Eine Änderung um eine pH-Einheit entspricht einer Verzehnfachung der Oxoniumionenkonzentration.
Mit Indikatoren lässt sich der pH-Bereich durch einen Farbwechsel abschätzen. Genauere Werte liefern pH-Meter. Bei Messungen müssen Temperatur, saubere Geräte und eine korrekte Kalibrierung beachtet werden.
Elektrische Leitfähigkeit
Elektrischer Strom wird in wässrigen Lösungen durch bewegliche Ionen transportiert. Destilliertes Wasser leitet nur sehr schwach. Leitungswasser leitet besser, weil es gelöste Ionen enthält. Eine Kochsalzlösung leitet deutlich, da viele Natrium- und Chloridionen beweglich sind.
Die Leitfähigkeit ist ein nützlicher Summenparameter der Wasseranalyse. Ein hoher Messwert zeigt, dass viele geladene Teilchen vorhanden sind. Er verrät allein aber nicht, welche Ionen im Wasser vorkommen. Dafür sind weitere Nachweise nötig.
Wasserhärte und Kalk
Die Wasserhärte wird vor allem durch gelöste Calcium- und Magnesiumionen bestimmt. Wasser nimmt diese Ionen auf, wenn es durch mineralhaltige Böden und Gesteine sickert. Hartes Wasser ist nicht automatisch gesundheitsschädlich, kann aber beim Erhitzen Kalkablagerungen verursachen und den Verbrauch von Waschmitteln erhöhen.
Beim Erhitzen von hydrogencarbonathaltigem Wasser kann vereinfacht Calciumcarbonat ausfallen:
Der Pfeil nach unten zeigt einen festen Niederschlag. Calciumcarbonat bildet Kesselstein in Wasserkochern, Kaffeemaschinen und Rohrleitungen.
Wasserhärte kann mit Teststreifen oder durch eine komplexometrische Titration bestimmt werden. Für den Alltag genügt oft die Härteangabe des örtlichen Wasserversorgers.
Wasser untersuchen
Eine einzelne Messung beschreibt Wasser nur unvollständig. In einer einfachen schulischen Untersuchung werden mehrere Parameter kombiniert:
- Temperatur: Sie beeinflusst Reaktionsgeschwindigkeit, Löslichkeit von Gasen und Messergebnisse.
- pH-Wert: Er zeigt, ob das Wasser sauer, neutral oder basisch reagiert.
- Elektrische Leitfähigkeit: Sie liefert einen Hinweis auf die Menge gelöster Ionen.
- Wasserhärte: Sie beschreibt vor allem den Gehalt an Calcium- und Magnesiumionen.
- Trübung: Sie kann auf Schwebstoffe oder sehr kleine Partikel hinweisen.
- Sauerstoffgehalt: Er ist für viele Wasserorganismen lebenswichtig.
Geruch, Farbe und Aussehen liefern erste Hinweise, ersetzen aber keine chemische Analyse. Klares Wasser ist nicht automatisch Trinkwasser. Mikroorganismen und gelöste Schadstoffe können unsichtbar sein.
Sicheres Arbeiten bei Wasserproben
Proben aus Bächen, Teichen oder unbekannten Behältern dürfen nicht getrunken werden. Trage bei unbekannten Proben eine Schutzbrille und befolge die Anweisungen der Lehrkraft. Benutzte Testlösungen gehören nicht zurück in das Gewässer. Sie werden nach den Regeln der Schule entsorgt.
Ein gutes Messprotokoll enthält Ort, Datum, Uhrzeit, Wetter, Probenahme, Messgerät, Einheit und Ergebnis. Wiederholte Messungen erhöhen die Zuverlässigkeit. Auffällige Ergebnisse sollten mit einer zweiten Methode überprüft werden.
Trinkwasseraufbereitung und Abwasserreinigung
Rohwasser kann aus Grundwasser, Quellen, Seen oder Flüssen stammen. Welche Aufbereitung nötig ist, hängt von seiner Zusammensetzung ab. Mögliche Schritte sind Belüftung, Fällung, Flockung, Sedimentation, Filtration, Adsorption und Desinfektion. Nicht jedes Wasserwerk benötigt alle Schritte.
Bei der Fällung werden gelöste Stoffe in schwer lösliche Verbindungen überführt. Bei der Flockung verbinden sich kleine Teilchen zu größeren Flocken. Ein Filter hält Partikel zurück. Aktivkohle kann bestimmte organische Stoffe adsorbieren. Eine Desinfektion vermindert krankheitserregende Mikroorganismen.
Abwasser wird in einer Kläranlage mechanisch, biologisch und teilweise chemisch gereinigt. Rechen und Sandfang entfernen grobe Stoffe. Mikroorganismen bauen viele gelöste organische Verbindungen ab. Phosphate können durch Fällungsreaktionen gebunden werden. Gereinigtes Abwasser wird anschließend wieder in den Wasserkreislauf eingeleitet.
Chemische Belastungen von Gewässern
Gewässer können durch Nährstoffe, Schwermetallionen, Säuren, Basen, Salze, Arzneimittelreste oder organische Schadstoffe belastet werden. Die Wirkung hängt von Stoffart, Konzentration, Eintragsdauer und Umweltbedingungen ab.
Zu viele Nitrat- und Phosphationen können das Wachstum von Algen und Wasserpflanzen stark fördern. Beim späteren Abbau der Biomasse wird Sauerstoff verbraucht. Dadurch können sauerstoffarme Bereiche entstehen. Dieses Zusammenspiel wird als Eutrophierung bezeichnet.
Im natürlichen Wasserkreislauf wird Wasser ständig verdunstet, transportiert, kondensiert und als Niederschlag zurückgeführt. Gelöste Stoffe folgen diesem Kreislauf nicht immer vollständig. Einige werden im Boden zurückgehalten, andere gelangen in Grundwasser, Flüsse oder Meere.
Elektrolyse von Wasser
Bei der Elektrolyse erzwingt elektrische Energie eine chemische Reaktion. Wasser kann dabei in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden:
Am Minuspol entsteht Wasserstoff, am Pluspol Sauerstoff. Das Volumenverhältnis der Gase beträgt idealisiert 2 zu 1. In der Praxis wird ein geeigneter Elektrolyt benötigt, weil reines Wasser schlecht leitet.
Eine Wasserelektrolyse ist nur als angeleiteter Schulversuch durchzuführen. Kochsalz ist als Elektrolyt ungeeignet, weil an der Anode gefährliche chlorhaltige Produkte entstehen können. Wasserstoff und Sauerstoff bilden außerdem ein explosionsfähiges Gemisch.
Einfache Schulversuche
Versuch: pH-Werte vergleichen
Untersuche unter Aufsicht kleine Mengen geeigneter Haushaltsflüssigkeiten mit Universalindikatorpapier. Vergleiche zum Beispiel Leitungswasser, Mineralwasser, verdünnten Zitronensaft und stark verdünnte Seifenlösung. Notiere Farbe, geschätzten pH-Bereich und die Einordnung sauer, neutral oder basisch. Trage eine Schutzbrille und probiere keine Laborprobe.
Versuch: Leitfähigkeit vergleichen
Vergleiche destilliertes Wasser, Leitungswasser und eine verdünnte Kochsalzlösung mit einem Leitfähigkeitsmessgerät. Spüle die Sonde zwischen den Messungen mit destilliertem Wasser. Erkläre die Unterschiede mit der Anzahl beweglicher Ionen.
Versuch: Wasserhärte beobachten
Gib gleich große Mengen verschiedener Wasserproben in beschriftete Gefäße und führe nach Anleitung einen Härte-Test durch. Vergleiche das Ergebnis mit der Angabe des Wasserversorgers. Prüfe, ob sich beim vorsichtigen Eindampfen unter Aufsicht Rückstände zeigen. Deute diese als gelöste Stoffe, nicht als Beweis für einen einzelnen Stoff.
Zusammenfassung
Wasser ist ein gewinkeltes Dipolmolekül. Wasserstoffbrücken erklären viele besondere Eigenschaften. Als polares Lösungsmittel kann Wasser Ionen und polare Moleküle hydratisieren. Der pH-Wert beschreibt die saure oder basische Wirkung wässriger Lösungen. Leitfähigkeit zeigt bewegliche Ionen an, während Wasserhärte vor allem mit Calcium- und Magnesiumionen zusammenhängt. Wasseranalysen verbinden mehrere Messwerte. Wasseraufbereitung und Abwasserreinigung nutzen physikalische, biologische und chemische Verfahren. Bei allen Experimenten stehen sauberes Arbeiten, Schutzmaßnahmen und eine vorsichtige Deutung der Ergebnisse im Mittelpunkt.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Welche Summenformel hat Wasser? (H2O) (!H2) (!O2) (!HO2)
Warum ist ein Wassermolekül ein Dipol? (Es ist gewinkelt und besitzt ungleich verteilte Teilladungen) (!Es besteht nur aus Ionen) (!Es ist immer elektrisch geladen) (!Es besitzt drei Sauerstoffatome)
Welche zwischenmolekulare Kraft wirkt besonders zwischen Wassermolekülen? (Wasserstoffbrücken) (!Metallbindungen) (!Ionenbindungen) (!Kernkräfte)
Was entsteht bei der Autoprotolyse von Wasser? (Oxoniumionen und Hydroxidionen) (!Natriumionen und Chloridionen) (!Calciumionen und Carbonationen) (!Wasserstoff und Stickstoff)
Welcher pH-Wert gilt bei 25 Grad Celsius im Schulmodell als neutral? (7) (!0) (!3) (!14)
Warum leitet eine Kochsalzlösung elektrischen Strom? (Bewegliche Ionen transportieren Ladung) (!Wassermoleküle werden zu Metall) (!Salzkristalle senden Licht aus) (!Die Lösung enthält nur Elektronen)
Welche Ionen bestimmen vor allem die Wasserhärte? (Calciumionen und Magnesiumionen) (!Natriumionen und Kaliumionen) (!Chloridionen und Nitrationen) (!Oxoniumionen und Hydroxidionen)
Welcher Stoff bildet häufig Kesselstein? (Calciumcarbonat) (!Sauerstoff) (!Wasserstoff) (!Stickstoff)
Welche Aussage zur Wasseranalyse ist richtig? (Mehrere Messparameter ergeben ein aussagekräftigeres Bild) (!Klares Wasser ist immer Trinkwasser) (!Der Geruch ersetzt jede Messung) (!Ein pH-Wert bestimmt alle Inhaltsstoffe)
Welche Gase entstehen bei der Elektrolyse von Wasser? (Wasserstoff und Sauerstoff) (!Stickstoff und Chlor) (!Kohlenstoffdioxid und Methan) (!Helium und Neon)
Memory
| Wassermolekül | H2O |
| Dipol | Ungleich verteilte Teilladungen |
| Hydrathülle | Wassermoleküle um ein gelöstes Ion |
| Oxoniumion | H3O+ |
| Hydroxidion | OH- |
| Leitfähigkeit | Transport elektrischer Ladung durch Ionen |
| Wasserhärte | Calcium- und Magnesiumionen |
| Elektrolyse | Zerlegung durch elektrische Energie |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Bedeutung |
|---|---|
| Wasserstoffbrücke | Anziehung zwischen polarisierten Bereichen verschiedener Moleküle |
| Indikator | Stoff mit pH-abhängiger Farbe |
| Fällung | Bildung eines schwer löslichen Feststoffs |
| Filtration | Trennung von Partikeln mit einem Filter |
| Hydratation | Anlagerung von Wassermolekülen an gelöste Teilchen |
| Autoprotolyse | Protonenübertragung zwischen Wassermolekülen |
...
Kreuzworträtsel
| Oxonium | Wie heißt das Ion H3O+ mit einem Wort? |
| Hydroxid | Wie heißt das Ion OH- mit einem Wort? |
| Indikator | Welcher Stoff zeigt einen pH-Bereich durch Farbänderung an? |
| Kalkstein | Welches Gestein enthält viel Calciumcarbonat? |
| Elektrolyse | Wie heißt die chemische Zerlegung durch elektrischen Strom? |
| Hydrathülle | Wie heißt die Hülle aus Wassermolekülen um ein gelöstes Ion? |
LearningApps
Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Wassermolekül zeichnen: Zeichne ein Wassermolekül mit Bindungswinkel, Teilladungen und einer kurzen Erklärung des Dipolcharakters.
- pH-Tagebuch: Sammle die pH-Angaben von fünf geeigneten Alltagsprodukten und ordne sie als sauer, neutral oder basisch ein.
- Kalk im Alltag: Fotografiere Kalkablagerungen an einem geeigneten Ort und erkläre ihre Entstehung mit Calciumcarbonat.
- Wasserwortschatz: Gestalte Karten zu zehn Fachbegriffen der Wasserchemie mit Begriff, Symbol und Erklärung.
Standard
- Leitfähigkeitsversuch: Plane einen sicheren Vergleich von destilliertem Wasser, Leitungswasser und Salzlösung. Formuliere Hypothese, Variablen und erwartete Ergebnisse.
- Wasserhärte vor Ort: Recherchiere die Wasserhärte Deiner Gemeinde und erkläre mögliche Folgen für Waschmittel, Geräte und Kalkbildung.
- Wasseranalyse-Protokoll: Entwickle eine übersichtliche Vorlage für Probenahme, pH-Wert, Leitfähigkeit, Temperatur, Härte und Beobachtungen.
- Wasserwerk erklären: Erstelle ein Schaubild, das die wichtigsten Aufbereitungsschritte vom Rohwasser bis zum Trinkwasser zeigt.
Schwer
- Gewässervergleich: Untersuche unter Anleitung zwei Wasserproben mit mehreren Messparametern und begründe, welche Aussagen möglich und welche nicht möglich sind.
- Eutrophierung modellieren: Entwickle ein Ursache-Wirkungs-Diagramm vom Nährstoffeintrag bis zum möglichen Sauerstoffmangel.
- Elektrolyse bewerten: Vergleiche die Wasserelektrolyse als Herstellungsweg für Wasserstoff bei Strom aus erneuerbaren und fossilen Quellen.
- Forschungsprojekt Wasser: Formuliere eine eigene überprüfbare Frage zur Wasserchemie, plane eine sichere Untersuchung, werte Messdaten aus und stelle die Grenzen Deiner Methode dar.
|
|
Lernkontrolle
- Teilchenmodell und Eigenschaft: Erkläre, wie die Molekülstruktur des Wassers zu hoher Oberflächenspannung und zur Löslichkeit von Salzen beiträgt.
- Messdaten deuten: Eine Probe besitzt pH 7,8 und eine hohe Leitfähigkeit. Leite ab, was die Werte zeigen und welche Aussagen über einzelne Ionen nicht möglich sind.
- Kalkproblem lösen: Entwickle für einen Haushalt mit hartem Wasser begründete Maßnahmen gegen Kalkablagerungen, ohne hartes Wasser pauschal als gefährlich darzustellen.
- Wasserwerk planen: Wähle für trübes, eisenhaltiges Rohwasser sinnvolle Aufbereitungsschritte und begründe ihre Reihenfolge.
- Gewässerbelastung erklären: Stelle den Zusammenhang zwischen Phosphateintrag, Algenwachstum, Abbau organischer Stoffe und Sauerstoffmangel dar.
- Versuchskritik: Beurteile einen Versuch, bei dem nur eine einzige pH-Messung ohne Kalibrierung durchgeführt wurde, und schlage Verbesserungen vor.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:
- den Bau und den Dipolcharakter des Wassermoleküls erklären kannst,
- Wasserstoffbrücken mit Eigenschaften des Wassers verknüpfen kannst,
- Lösungsvorgänge von Salzen im Teilchenmodell beschreiben kannst,
- Autoprotolyse, Oxoniumionen, Hydroxidionen und pH-Wert sicher einordnest,
- Leitfähigkeit und Wasserhärte unterscheidest,
- Messwerte mit Einheiten protokollierst und vorsichtig deutest,
- wichtige Schritte der Trinkwasseraufbereitung und Abwasserreinigung erklärst,
- chemische Gewässerbelastungen in Ursache-Wirkungs-Zusammenhängen beurteilst,
- Sicherheitsregeln bei Wasserproben und Elektrolyseversuchen einhältst.
OERs zum Thema
Verknüpfte Lernbereiche
aiMOOC-Projekte
Schulfach+
|
|
aiMOOCs
aiMOOC Projekte
|
|
THE MONKEY DANCE
|
|
|