Schulinfo Element Wasser

Das Element Wasser
Das Element Wasser
Das Element Wasser
Wasser ist der einzige Stoff, der auf der Erde in allen drei Aggregatzuständen vorkommt:
Fest (Eis/Schnee), flüssig und gasförmig (Dampf). Seine einzigartigen chemischen und
physikalischen Eigenschaften bestimmen nicht nur über das Aussehen unserer Erde,
sondern formen unsere Zivilisation und üben maßgeblichen Einfluss auf unseren Alltag
aus.
Basis Informationen für LehrerIn:
Während es nach heutigem Wissensstand im ganzen Universum Wasser in Form von Eis
und Dampf gibt, scheint es in flüssiger Form außerhalb der Erde nur sehr selten
vorzukommen. Grund hierfür ist, dass es nur in einem engen Temperaturspektrum flüssig
existiert. Unser Planet ist der einzige in unserem Sonnensystem, auf dem es Meere,
Flüsse, Seen und Eiskappen gibt. Auf dem Merkur gibt es Dampf und während es auf
dem Mars einmal flüssiges Wasser gab, ist jetzt nur mehr Eis vorhanden. Aber weder Eis
noch Dampf ermöglichen Leben, nur Wasser in seiner flüssigen Form schafft das.
Lernziele:
Die drei Aggregatzustände des Wassers kennenlernen
Die chemischen und physikalische Besonderheiten des Wassers verstehen
Den Einfluss der molekularen Anomalien des Wassers auf unseren Alltag
beleuchten
Ideensammlung/Diskussion:
Wie würde sich unsere Welt verändern (geographisch, kulturell, etc.), wenn die
Polarkappen auf Grund des Klimawandels weiterhin schmelzen?
Salzstreuen hilft im Winter zwar vor vereisten Straßen, aber welche Auswirkungen
hat das auf die Umwelt? Gibt es Alternativen?
Vergleich der chemischen und physikalischen Eigenschaften von Wasser (Gefrier –
und Siedepunkt, Dichte, Molekularstruktur, etc.) mit denen anderer Stoffe.
WasserWerkstatt:
Arbeitsblatt 1: Flüssiges Wasser – Die Wiege des Lebens
Arbeitsblatt 2: Gefrorenes Wasser – Eis und Schnee
Arbeitsblatt 3: Gasförmiges Wasser – Dampf
Arbeitsblatt 4: Wasser bewegt
Werkstatt: Die Dichte von Wasser
Aktion:
Regen Sie in der Klasse eine Diskussion an, in welcher Situation jede/jeder zu Hause den
Aggregatzustand des Wassers schon einmal verändert hat (z.B. Verdunstung beim
Kochen, Herstellen von Eiswürfeln, Wäsche trocknen, etc.)
Das Element Wasser
A1: FLÜSSIGES WASSER – DIE WIEGE DES LEBENS
Viele der grundlegenden Eigenschaften von Wasser kennen wir aus dem Alltag: Es ist
farblos, geruchlos und durchsichtig – erst ab einer Schichtdicke von ca. zwei Metern ist
eine bläuliche Färbung erkennbar. Aber in
Wasser steckt mehr als eine einfache
Flüssigkeit. Sie beeinflusst unser Leben
sowie unsere Zivilisation, Lebensweise
und Kultur wesentlich.
So einfach die chemische Formel für
Wasser (H2O) ist, so vielfältig sind seine
Erscheinungsformen. Wir treffen auf
Wasser in flüssiger, gefrorener und in
gasförmiger Beschaffenheit.
Flüssiges Wasser ist die
Grundvoraussetzung jeglichen Lebens auf
unserem Planeten. Keine andere
Flüssigkeit ist ein so gutes Lösungsmittel
und damit das ideale Medium für die
Chemie des Lebens. Alle Lebewesen
bestehen zu einem erheblichen Teil aus Wasser, daher kann ohne Wasser nichts
Lebendiges auf unserer Erde existieren. Meere, Flüsse, Bäche und Sümpfe sind jene
Lebensräume mit den meisten Lebewesen. Und auch wir, die auf dem Land leben,
können ohne Wasser nicht bestehen.
Grundlage unserer Zivilisation
Die Bedeutung und der Einfluss vorhandenen Wassers, hat auch die menschliche
Zivilisation stark beeinflusst. Ob Ackerbau oder das Leben in großen Städten, alles
basiert auf verlässlichen Süßwasserquellen. Entlang von Flüssen und in den
Flusslandschaften haben sich viele Siedlungen entwickelt. Und auch der zivilisatorische
Fortschritt ist vom Wasser abhängig. Kein menschliches Gemeinwesen könnte ohne
funktionierende Wasserversorgung überleben – heute wie vor tausenden von Jahren.
So ist es nur allzu verständlich, dass die ersten Hochkulturen entlang großer Flüsse wie
dem Euphrat, Tigris oder Nil entstanden. Aber auch als Verkehrswege war und ist Wasser
immens wichtig: Das Wachstum von günstig, am Wasser gelegenen Handelsmetropolen
wie Venedig, Shanghai oder New York war und ist besonders rasant.
Gewässer bieten für viele Tier- und Pflanzenarten den idealen Lebensraum. Ausreichend
Wasser in guter Qualität ist auch für diese Organismen ganz wichtig. So ist beispielsweise
das Vorkommen von Lachsen der Nachweis für eine ausgezeichnete Wasserqualität.
Gleichzeitig kann die Nähe zu Flüssen auch eine Bedrohung für Menschenleben sowie Hab
und Gut durch Hochwässer, Muren, Lawinen oder Überschwemmungen darstellen.
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A2: GEFRORENES WASSER – EIS UND SCHNEE
Nur drei Prozent der Wasservorkommen auf der Erde sind Süßwasser und somit als
Trinkwasser für uns genießbar. Dreiviertel dieses Süßwassers ist als Eis in der Form von
Gletschern auf Land, oder Packeis und Eisbergen auf dem Meer gespeichert. Schmelzen
diese Süßwasservorräte im Zuge des Klimawandels weiterhin so rapide, wird das zu einer
katastrophalen Erhöhung des Meeresspiegels führen.
In den Polarregionen und Hochgebirgen, wo die Temperaturen dauerhaft unter dem
Gefrierpunkt bleiben, bilden sich dicke Eisschichten die tausende von Jahren alt sein
können. Die älteste Eisschicht die bis jetzt gefunden wurde, war ca. 650.000 Jahre alt!
Da das Eis Luftblasen, Pollen- und Staubteilchen enthält, können Wissenschaftler viele
Informationen über das damals herrschende Klima erfahren.
Der Punkt an dem Wasser gefriert, liegt übrigens nicht immer bei 0°C. Wird z.B. Salz
dem Wasser beigefügt, dann sinkt der Gefrierpunkt, da das Salz die Wassermoleküle
daran hindert, hexagonale Kristalle zu bilden. Meerwasser z.B. gefriert erst bei etwa 1,8°C. Anwendung findet dieses Wissen u.a. beim Enteisen von Straßen im Winter: Es
wird Salz gestreut.
Die Kraft des Eises
Gefrorenes Wasser hat die Landschaftsformen unserer Erde stark beeinflusst: Die
Landschaft Europas ist das Resultat von Erosionen, verursacht durch Gletscher und die
Kräfte gefrorenen Grundwassers. Das zeigt: Gefrorenes Wasser ist unheimlich stark. Es
kann nicht nur die massivsten Steine sprengen, sondern auch schwere Wasserrohrbrüche
bei anhaltenden Minus-Temperaturen verursachen.
Seine unheimliche Kraft beruht auf einer Anomalie seiner molekularen Struktur: Als
einziger Stoff unserer Erde dehnt sich Wasser im festen Zustand aus. Wie bereits
erwähnt, schließen sich Wassermoleküle im gefrorenen Zustand zu hexagonalen
Kristallen zusammen. Zusammengehalten werden die Moleküle dabei durch sogenannte
Wasserstoffbrücken. Diese hindern aber die Moleküle gleichzeitig daran, ganz nah
aneinander zu rücken. Somit liegen im Eis die Moleküle weiter auseinander als im
flüssigen Wasser und benötigen mehr Raum. Eine beliebige Wassermenge braucht als Eis
9% mehr Platz als dieselbe Menge in flüssiger Form.
Warum Eisberge schwimmen
Eine weitere Anomalie des Wassers: Es ist
der einzige Stoff, der bei gleichem Volumen
im festen Aggregatzustand eine geringere
Dichte hat als im flüssigen. Das Gewicht
eines bestimmten Volumens nennt man
Dichte und die passende Maßeinheit dazu ist
Gramm pro Kubikzentimeter. Vereinfacht
gesagt: Ein Glas Eis wiegt weniger als
dasselbe Glas gefüllt mit flüssigem Wasser.
Es ist auf Grund der geringeren Dichte, dass
massive Eisberge auf dem Meer schwimmen
und nicht wie ein Stein untergehen. Auch interessant: 90% eines Eisberges befindet sich
unter Wasser - wir können also wortwörtlich nur die Spitze des Eisberges sehen!
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A3: GASFÖRMIGES WASSER - DAMPF
Die Weltmeere bedecken ca. zwei Drittel der Erdoberfläche. Im Verlauf von einem Jahr
verdunstet eine Schicht von etwa einem Meter Dicke von diesem Wasser in die
Atmosphäre und fällt später als Regen wieder nieder. Im sogenannten Wasserkreislauf
befinden sich Verdunstung und Niederschlag im Gleichgewicht und bilden einen
unendlichen Kreislauf. Wasserdampf ist also auch ein wesentlicher Wetterfaktor.
Erreicht Wasser seinen Siedepunkt, brechen die Wasserstoffbrücken auf und aus
flüssigem Wasser wird gasförmiges Wasser = Dampf. So wie der Gefrierpunkt von
Wasser nicht immer 0°C beträgt, ist auch der Siedepunkt von Wasser nicht bei 100°C
fixiert. Bei welcher Temperatur Wasser verdampft hängt vom Luftdruck ab. Auf
Meeresniveau verdunstet Wasser bei 100°C. Auf dem Mt. Everest –8.850 Meter über dem
Meer, wo der Luftdruck nur noch ein Drittel der
Atmosphäre beträgt – siedet es bereits bei 70°C.
Ein Ei auf dem höchsten Berg der Welt gar zu
kochen ist also so gut wie unmöglich.
Auch Schnellkochtöpfe machen sich die
Abhängigkeit des Siedepunktes vom Luftdruck zu
nutzen. In dem luft- und wasserdicht
geschlossenen Topf entsteht Wasserdampfdruck
der einen Überdruck erzeugt und somit den
Siedepunkt auf 120°C erhöht. Das Gulasch wird
also schneller gar als in einem konventionellen
Topf.
Mit vollem Dampf voraus
Die Verwandlung von Wasser in Hochdruckdampf ist eine Möglichkeit, um Energie zu
gewinnen. Dazu benötigt man jedoch Wärme, die durch einen anderen Energieträger
geliefert werden muss, z.B. Erdgas. Wasser ist also nur Teil dieses
Energieerzeugungsprozesses, nicht die eigentliche Energiequelle. Trotzdem hat Dampf, in
Form der Dampfmaschine, maßgeblich unsere heutige Gesellschaft geformt. Ohne die
Erfindung der Dampfmaschine wäre die industrielle Revolution undenkbar und somit auch
unser stark durch Technologien geprägter Lebensstil.
Bereits im 16. Jahrhundert gab es die ersten Versionen einer Dampfmaschine, aber erst
der schottische Erfinder James Watt modifizierte Mitte des 18. Jahrhunderts die
Konstruktionen seiner Vorgänger so weitgehend, dass die Dampfmaschine wirtschaftlich
rentabel war. In weiterer Folge wurden Dampfmaschinen in ganz unterschiedlichen
wirtschaftlichen Zweigen wie der Landwirtschaft, der Textilindustrie oder dem Bergbau
verwendet. Vor allem kamen sie bei der Fortbewegung zum Einsatz, z.B. in Form von
Dampflokomotiven, Dampfschiffen oder sogar Dampfluftschiffen.
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A4: WASSER BEWEGT
Wir haben gelernt, dass Wasser nicht nur viele überlebenswichtige Funktionen in
unserem Körper unterstützt, sondern dass es in seinen verschiedenen
Aggregatzuständen unser Leben maßgeblich beeinflusst. Wasser und unser Umgang mit
diesem ist also ein durchaus ernstes Thema. Dabei sollten wir aber nicht vergessen, dass
man mit Wasser ganz viel Spaß haben kann!
Kaum ein Land kann so eine Vielfalt an Sportmöglichkeiten bieten wie Österreich. Viele
werden erst durch die unterschiedlichen Aggregatzustände des Wassers möglich.
Auf Seen kannst du z.B. Windsurfen oder Segeln, im und unter Wasser
kannst du Tauchen oder Wasserball spielen.
Eis ist perfekt für Eislaufen, Eisstockschießen, während Schnee die ideale
Unterlage fürs Snowboarden oder Skifahren ist. Aber auch Eisklettern oder
Skidoo fahren werden erst durch gefrorenes Wasser möglich.
In der Sauna oder im Dampfbad hilft dir Wasser in seinem gasförmigen
Aggregatszustand, dich zu entspannen und von einem ausgiebigen
sportlichen Tag zu erholen.
Allein schon die unzähligen
Wassersportarten zeigen,
dass das
Freizeitvergnügen im und
um das Wasser besonders
groß ist. Ob
Synchronschwimmen,
Klippenspringen oder
Wakeboarden: Das kühle
Nass bietet für jeden was!
Regelmäßige sportliche
Betätigung ist eine Grundvoraussetzung für einen
gesunden und ausgeglichenen
Körper.
Besonders schonend für die Gelenke sind Bewegungen die im Wasser stattfinden, denn
im Wasser spürt und bewegt man nur ein Zehntel seines tatsächlichen Gewichtes. Ein
zusätzliches Plus von Freizeitvergnügen im Wasser: Durch den leicht erhöhten Druck im
Wasser werden die Blutgefäße zusammengepresst und somit mehr Blut zum Herz
gepumpt. Resultat: Man benötigt weniger Schläge pro Minute um die Muskulatur mit
Sauerstoff zu versorgen.
Neben Sport bietet Wasser auch viel Erholung. Ob ein Picknick am Teich oder ein
aufregender Tag im Wasserpark: Die meisten Menschen fühlen sich besonders wohl in
der Nähe von Wasser.
Das Element Wasser
WasserWerkstatt: Die Dichte von Wasser
Warum bringt Eis ein volles Glas nicht zum überlaufen?
Das brauchst du:
Ein großes Glas
Warmes Wasser
1 Eiswürfel
Steinchen
Das machst du:
Fülle das Glas fast bis zum Rand mit warmem Wasser. Setzte
vorsichtig den Eiswürfel auf die Wasseroberfläche.
Nun gib langsam ein kleines Steinchen nach dem anderen in das
Glas, bis das Wasser randvoll das Glas füllt.
Überlege und mach dir Notizen:
Was passiert?
Läuft das Wasser über, wenn der Eiswürfel geschmolzen ist?
Das Element Wasser
ANTWORTEN:
Im warmem Wasser schmilzt der Eiswürfel – wie schnell hängt von der
Temperatur des Wassers ab. Auch wenn das Eis komplett geschmolzen ist, läuft
das Wasser nicht über.
Aber was ist passiert?
Eis hat eine geringere Dichte als Wasser, es nimmt also bei gleicher Masse mehr
Volumen ein als Wasser. Der Grund hierfür liegt darin, dass Wasser im gefrorenen
Zustand eine Kristallstruktur einnimmt. Zwischen den einzelnen Wassermolekülen
entstehen Hohlräume, daher nimmt das Volumen zu im Vergleich zum flüssigen Zustand.
Schmilzt das Eis, nimmt das Volumen ab, da die kristallinen Strukturen aufgelöst werden.
Die Wassermoleküle können näher aneinander rücken und die Hohlräume können mit
flüssigem Wasser gefüllt werden. Jener Teil des Eiswürfels, der sich unter der
Wasseroberfläche befindet, nimmt immer weniger Raum ein, je mehr er schmilzt. Der
Wasserspiegel sinkt. Gleichzeitig schmilzt aber auch jener Teil des Eiswürfels, der über
der Wasseroberfläche ist. Die resultierende Flüssigkeit findet jetzt in dem Glas Platz.
Das Glas läuft also nicht über!