Experimente 1 Das Wassermolekül

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Wasser aus der Sicht der Chemie
Das Wassermolekül
Experimente
Die Polarität von Wasser kann durch zwei einfache Versuche aufgezeigt werden:
1. Auf folgender Webseite, das Video zum
Versuch „Ablenkung fliessenden Wassers
durch ein elektrisches Feld“:
2. Auf folgender Webseite, das Video zum
Versuch „Orientierung von Papierstücken in
der Phasengrenze zwischen Wasser und
Benzin“:
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PHBern 2012, www.phbern.ch
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Ablenkung fliessenden Wassers durch ein elektrisches Feld
An einem Stativ wird eine Bürette
(oder einfach eine Messpipette)
befestigt und mit destilliertem
Wasser gefüllt. Ein Lineal aus
Kunststoff (PVC) wird mit einem
Seidentuch abgerieben, was den
Lineal mit positiven Ladungen
aufladen wird. Danach wird der
Hahn geöffnet und das Wasser
fliesst senkrecht nach unten
(Abb. 1-3 links).
Nähert man das Lineal dem
fliessenden Wasser (Abb. 1-3
Mitte), wird eine ausgeprägte
Ablenkung in Richtung des
Lineals beobachtet (manchmal
fast horizontal): Dass Wasser
besonders polar ist, kann mit der
Abb. 1-3. Links: Fliessendes Wasser, Mitte: Fliessendes Wasser in
gleichen
Einrichtung
gezeigt
einem elektrischen Feld, rechts: Fliessende unpolare Flüssigkeit
werden. Wird mit einer unpolaren
(Benzin) in einem elektrischen Feld.
Flüssigkeit, wie zum Beispiel
Benzin,
derselbe
Versuch
durchgeführt
erfolgt
keine
Ablenkung bei der Annäherung des geladenen Lineals (Abb. 1-3 rechts). Damit keine Spuren von
Wasser in der Bürette übrig bleiben, die den Versuch beeinflussen könnten, verwendet man am
besten eine zweite Bürette.
Nach der Durchführung wird das Benzin als normales (nicht halogeniertes) Lösungsmittel entsorgt.
Variante mit Alltagsmaterial: Anstelle der Bürette kann der Versuch mit einer Pipette oder sogar
gleich beim Wasserhahn (wenn ein feines Rinnsal möglich ist) durchgeführt werden.
Erklärungen zum Versuch: Alle Moleküle in einem Wassertropfen sind einzelne Dipole. Sobald diese
Dipole sich in einem elektrischen Feld befinden, orientieren sie sich alle parallel mit dem negativen Pol
gegen die positiven Ladungen des Lineals (Abb. 1-4).
Abb. 1-4. Schematische Darstellung eines Wassertropfs in einem elektrischen Feld.
Jedes Wassermolekül erfühlt eine horizontale elektrische Anziehungskraft FE in Richtung des Lineals,
sowie die übliche vertikale Gravitationskraft F G. Aus diesen beiden Kräften ergibt sich die Totalkraft
FT, welche für die Ablenkung verantwortlich ist. Da die Gravitationskraft F G konstant wirkt, hängt die
Ablenkung von der Stärke der elektrischen Anziehungskraft F E ab.
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Orientierung von Papierstücken in der Phasengrenze zwischen Wasser und
Benzin
Zunächst wird ein normales Blatt
Papier
auf
einer
Seite
mit
Wachsmalkreide vollständig bemalt
(Abb.
1-5
links).
Anstatt
Wachsmalkreide kann man auch
Bleistift verwenden. Danach wird das
Blatt in kleine Vierecke, ca. 3 mm
gross, geschnitten (Abb. 1-3 rechts).
Abb. 1-5. Ein Blatt Papier wird mit Wachsmalkreide bemalt (links) und
in kleine Vierecke geschnitten (rechts).
Abb. 1-6. Wasser, Papierschnipsel,
Scheidetrichter und Benzin.
An einem Stativ wird ein Ringhalter befestigt (Abb. 1-6), in dem ein
250 ml Scheidetrichter gestellt wird. In den Scheidetrichter werden
etwa 100 ml Benzin gegeben. Danach werden etwa 100 ml
destilliertes Wasser zugegeben, welches sich mit dem Benzin nicht
vermischt: Hier muss beobachtet werden, ob das Wasser sich über
oder unter dem Benzin platziert hat. Im Trichter sind also zwei
Phasen. Letztlich werden ca. 12 Stücke der auf einer Seite mit
Wachsmalkreide bedeckten Vierecke in den Scheidetrichter
zugegeben. Die Papierstücke lagern sich genau an der
Phasengrenze zwischen Benzin und Wasser. Der Scheidetrichter
wird mit einem Plastikstopfen gut verschlossen und etwa 20
Sekunden sehr stark geschüttelt. Danach wird der Scheidetrichter
zurück in den Ringhalter gestellt und während dem Dekantieren
aufmerksam beobachtet. Die zwei Phasen trennen sich wieder und
die kleinen Papiere lagern sich größtenteils wieder an der
Phasengrenze zwischen Benzin und Wasser (einige können auf der
Wand verklebt bleiben). Alle Papiere an der Phasengrenze sind
ausnahmslos mit der unbedeckten Seite in Richtung des Wassers
angeordnet (Abb. 1-7)!
Falls Papiere auf der Wand des Scheidetrichters verklebt sind,
dann befinden sie sich in der Phase des Benzins und sind sie alle
mit der unbedeckten Seite in Richtung des Glases angeordnet.
Wiederholt man das Schütteln und das Dekantieren des
Scheidetrichters, werden die genau gleichen Beobachtungen
gemacht.
Nach der Durchführung wird das Benzin durch Dekantieren
getrennt und als nicht halogeniertes Lösungsmittel entsorgt.
Abb. 1-7. Papierstücke an der
Phasengrenze zwischen Benzin und
Wasser.
Variante mit Alltagsmaterial: Anstelle des Scheidetrichters kann
ein Konfitüreglas gebraucht werden: Der Deckel muss dicht
verschliessbar sein.
Erklärungen zum Versuch: Der Hauptbestandteil von Papier ist Cellulose, welche aus riesigen
Molekülen besteht. Diese riesigen Moleküle sind Ketten, die aus gleichen zusammen verknüpften
Einheiten aufgebaut sind. In Cellulose ist die sich wiederholte Einheit Glucose, also ein Zucker.
Zuckern sind polare Verbindungen. Kleine Zuckermoleküle wie Hauszucker sind im Wasser sehr
löslich: es können fast zwei Kilos Hauszucker in einem einzigen Liter Wasser bei Raumtemperatur
aufgelöst werden. Cellulose löst sich nicht in Wasser, bleibt aber sehr wasserliebend
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(wissenschaftlich: hydrophil). Denken wir an die Menge Wasser, die mit Haushaltpapier aufgewischt
werden kann!
Wie der Name angibt, bestehen Wachsmalkreide aus fettigen Stoffen. Fettstoffe (wissenschaftlich:
Lipide) sind unpolare Verbindungen und deswegen im Wasser nicht (oder schwer) löslich. Bedeckt
man eine Seite Papier mit Wachsmalkreide, wird die Oberfläche unpolar, also fettliebend
(wissenschaftlich: lipophil). Die andere unbedeckte Seite bleibt wasserliebend. Wie die kleinen Papiere
sich an der Phasengrenze ausrichten ist nun klar: die hydrophile Seite zeigt in Richtung des polaren
Wassers, weil somit Abstossungskräfte mit dem Benzin vermieden werden. Die lipophile Seite zeigt in
Richtung des unpolaren Benzins, dadurch werden Abstossungskräfte mit dem Wasser vermieden. Die
Abstossungskräfte verursachen die selektive Orientierung. Danach wird die spezifische Orientierung
mit Anziehungskräften stabilisiert.
Gleicherweise können wir nun erklären, wie die Papiere sich auf dem Glaswand ausgerichtet haben:
da die hydrophile Seite in Richtung des Glases zeigt, soll Glas eine polare Verbindung sein.
Siliciumdioxid (SiO 2) ist der Hauptbestandteil von Glas und wie aus dem Versuch vermutet eine polare
Verbindung.
Wenn das Papier mit einem Bleistift anstelle einer Wachsmalkreide bedeckt wird, werden genau die
gleichen Beobachtungen gemacht. Bleistiftminen bestehen aus Graphit, der stabilsten
Erscheinungsform des Elements Kohlenstoff bei Raumbedingungen. Graphit ist unpolar und die
Oberfläche von Papier, welche mit Graphit bedeckt ist, wird genauso wie jene mit Wachsmalkreide
fettliebend.
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