Wasser Bestandteile und Umwelt

Universität Regensburg
Institut für Anorganische Chemie – Lehrstuhl Prof. Dr. A. Pfitzner
Demonstrationsversuche für das Lehramt an Gymnasien
Sommersemester 2011
Dozentin: Dr. M. Andratschke
Referentinnen: Veronika Forster, Daniela Dietz
29.06.2011
Wasser
Bestandteile und Umwelt
1. Allgemeines [1‐3]
Die Erdoberfläche ist zu 71 % von Wasser, in Form der Ozeane, bedeckt. Dabei stellt den größten Teil
des Vorkommens das Salzwasser dieser Ozeane dar. Süßwasser hingegen hat einen Anteil von 3,5 %.
Das meiste Süßwasser ist jedoch an die Pole und an Gletscher gebunden und kann deswegen nicht
genutzt werden. Wasser zirkuliert im globalen Wasserkreislauf und liegt auf unserem Planeten in
allen drei Aggregatszuständen vor, was die Besonderheit ausmacht.
Es ist nicht nur für die Erde wichtig, sondern auch für den Menschen und den Aufbau der Pflanzen
und Lebewesen.
Der menschliche Körper besteht zu 50 %, wirbellose Meerestiere zu 95 % und bestimmte
Gemüsearten und Früchte, wie Spargel oder Kürbis, zu 90 % aus Wasser.
Der Mensch braucht täglich etwa drei Liter Wasser aus Nahrung und Getränken, um nicht
auszutrocknen. Deshalb ist es wichtig, die Trinkwasserversorgung für die Bevölkerung zu
gewährleisten.
Dennoch verbraucht jeder Deutsche im Durchschnitt 122 Liter Wasser täglich. Dabei wird das meiste
beim Duschen/Baden oder die Toilettenspülung verschwendet. Essen und Trinken machen nur einen
geringen Anteil aus.
2. Versuch 1: Hofmann’scher Wasserzersetzer: Die Elektrolyse des Wassers [4‐6]
Geräte:
• Hofmann’scher Zersetzungsapparat
• Gleichspannungsquelle, Kabel
• 2 Reagenzgläser, Bunsenbrenner
Chemikalien:
• destilliertes Wasser (dest. H2O)
• verdünnte Schwefelsäure (2N H2SO4)
Durchführung:
Die beiden Schenkel des Hoffmann’schen Zersetzungsapparates werden mit verdünnter
Schwefelsäure gefüllt, da der Versuch so schneller von statten geht. Die Hähne bleiben dabei offen,
damit sich der Wasserstand ausgleichen kann. Erst wenn die Elektrolyse gestartet wurde, werden die
Hähne geschlossen. Man legt eine Gleichspannung U = 15 V und als Stromstärke I = 0,2 A an.
1
Beobachtung:
An den Elektroden entstehen Gasblasen, die in den Schenkeln nach oben steigen. Nach kurzer Zeit
kann man erkennen, dass im Gasraum oberhalb der Kathode doppelt so viel Gas wie an der Anode
entsteht. Im mittleren Rohr steigt der Wasserspiegel entsprechend an.
Nachweis der entstandenen Gase:
Die Gase werden über die Hähne in Reagenzgläser gefüllt und anschließend weiter untersucht.
Glimmspanprobe [5]
Ein Glimmspan wird nach dem Löschen der Flamme, aber unter Erhalt der Glut, in das Reagenzglas
mit Sauerstoff getaucht (Gas an der Anode). Der glimmende Holzspan flammt auf, folglich wurde der
Sauerstoff auch eindeutig nachgewiesen.
Knallgasprobe [6]
Das Reagenzglas mit dem Gas der Kathode wird an den Bunsenbrenner gehalten. Es kommt zu einer
schwachen Verpuffung, da sich in dem Reagenzglas Wasserstoff befindet.
Da Wasserstoff leichter als Luft ist, sollte das Reagenzglas mit der Öffnung nach unten gehalten
werden, um ein Ausströmen des Gases zu verhindern.
Auswertung:
An der Kathode findet die Reduktion der Oxonium‐Ionen zu Wasserstoff statt. Sauerstoff bildet sich
an der Anode nach Reduktion der Hydroxid‐Ionen.
Es kann auf die Summenformel von Wasser (H2O) geschlossen werden, da doppelt so viel Wasserstoff
wie Sauerstoff entsteht.
Kathode:
4 H3O+ + 4 e‐
Æ
2 H2 + 4 H2O
(Reduktion)
Anode:
4 OH‐
Æ
2 H2O + O2 + 4 e‐
(Oxidation)
Gesamtvorgang:
2 H2O
Æ
2 H2 + O2
Didaktischer Kommentar:
Dieser Versuch eignet sich als Einstieg in den Themenkomplex des Wassers. Man erörtert mit den
Schülern die Bestandteile des Wassers. Außerdem lässt sich mit ihnen die Summenformel des
Wassers erschließen.
Man sollte diesen Versuch allerdings nur als Lehrerdemonstration vorführen, weil die Apparatur zu
aufwendig und meist nur einmal vorhanden ist.
Sind die Schüler jedoch mit Microscale‐Experimenten vertraut, können sie selbst einen
Hofmann’schen Zersetzungsapparat bauen und die Elektrolyse des Wassers durchführen.
3. Versuch 2: Wasserhärte [7, 8]
Zur Bestimmung der Gesamthärte des Leitungswassers dient Eriochromschwarz T als Indikator. Es
handelt sich hier um Metallindikatoren, die Komplexbildner sind. Das bedeutet also, dass sie
metallgebunden eine andere Farbe besitzen als im freien Zustand.
Die Wasserhärte kann komplexometrisch gut bestimmt werden.
Geräte:
• Stativ
• Bürette
• Erlenmeyerkolben
2
Chemikalien:
• 50 ml des zu untersuchenden Wassers
• Eriochromschwarz T
• 1‐2 ml konzentrierte Ammoniaklösung (NH3)
• Titriplex‐B‐Lösung
Durchführung:
Man löst in 50 ml Wasser eine Spatelspitze voll des Indikators und gibt anschließend 1‐2 ml
konzentrierten Ammoniak hinzu.
Das ganze wird mit einer Titriplex‐B‐Lösung titriert, solange bis ein Farbumschlag eintritt.
Beobachtung:
Es lässt sich ein Farbumschlag von violett nach blau beobachten.
Auswertung:
Die von uns verwendete Titriplex‐B‐Lösung ist eine Dinatriumdihydrogenethylendiamintetraacetat‐
Lösung (EDTA). 1 ml dieser Titriplex‐B‐Lösung entspricht 1,0 °d (°d: deutscher Härtegrad) bei
Anwendung von 50 ml Wasser.
Dabei entspricht 1 °d 7,14 mg Ca2+‐Ionen bzw. 10,0 mg CaO in einem Liter Wasser.
Untersucht wurden Leitungswasserproben aus Fuchsberg (Oberviechtach) und Regensburg.
Fuchsberg: Verbrauch an Titriplex‐B‐Lösung: 3 ml Æ 3 °d
Regensburg: Verbrauch an Titriplex‐B‐Lösung: 18 ml Æ 18 °d
Hier bilden zunächst die zweiwertigen Ionen (Ca2+, Mg2+) im Leitungswasser, mit dem
Indikatorfarbstoff Eriochromschwarz T, einen violetten Komplex. Titriert man dann mit EDTA,
werden zunächst die freien Ionen gebunden und am Ende der Titration verdrängt EDTA den
Metallindikator aus dem weniger stabilen Metall‐Indikatorkomplex.
Der Endpunkt der Titration tritt mit dem Farbumschlag von violett nach blau ein.
4. Versuch 3: Wasser als Dipol [9]
Geräte:
• Stativ
• Bürette
• Becherglas (v = 500 ml)
• Lineal
• Schal
Chemikalien:
100 ml Wasser
Durchführung:
Die Bürette wird zunächst mit Wasser gefüllt. Ein Becherglas wird darunter gestellt. Anschließend
reibt man das Kunststofflineal an einem Schal oder Kittel. Dann wird der Hahn der Bürette geöffnet.
Den Stab hält man nun nah an das austretende Wasser, wobei aber eine Berührung vermieden
werden sollte.
Beobachtung:
Der Kunststoffstab bewirkt eine seitliche Ablenkung des Wasserstrahls.
3
Auswertung:
Das Wassermolekül ist gewinkelt, da Sauerstoff zwei freie Elektronenpaare besitzt:
δ‐
O
δ+
H
H
δ+
Wasser ist ein Dipol, da Wasserstoff eine positive und Sauerstoff eine negative Partialladung besitzt.
Dadurch wird Wasser von dem elektrostatisch aufgeladenen Kunststoffstab abgelenkt.
Didaktischer Kommentar:
Dieser einfache Versuch verdeutlicht den Schülern die Eigenschaften des Wassers als Dipol. Die
Schüler könnten diesen Versuch durchaus selbst durchführen, da er in keinster Weise gefährlich ist.
5. Lehrplanbezug [10]
Das Thema Wasser wird vor allem in der 9. Jahrgangsstufe behandelt, und zwar in Punkt CNTG 9.3
„Molekülstruktur und Stoffeigenschaften“ (NTG: naturwissenschaftliches, technologisches
Gymnasium).
Hier werden die Eigenschaften und die Bedeutung des Wassers besprochen. Wasser kann in diesem
Zusammenhang auch als besondere Chemikalie behandelt werden, weil es nicht nur zu chemischen
Versuchen dient, sondern ebenfalls Lebensgrundlage und Wirtschaftsgut ist. Hierbei sollten auch der
Wasserkreislauf und die Wasseranalytik thematisiert werden.
6. Quellenverzeichnis
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
Holleman, Arnold Frederik/Wiberg, Egon und Nils: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102., stark
umgearbeitete und verbesserte Auflage von Nils Wiberg, Berlin/ New York 2007, S. 525, 526.
http://de.wikipedia.org/wiki/Wasser (Stand: 21.06.2011)
http://de.wikipedia.org/wiki/Wasserverbrauch (Stand: 08.07.2011)
Häusler, Karl/ Rampf, Heribert/ Reichelt, Roland: Experimente für den Chemieunterricht mit einer
Einführung in die Labortechnik. 2., korrigierte und verbesserte Auflage, München 1995, S. 88.
http://de.wikipedia.org/wiki/Glimmspanprobe (Stand: 21.06.2011)
http://de.wikipedia.org/wiki/Knallgasprobe (Stand: 21.06.2011)
Scheer, Manfred/ Wachter, Joachim: Institut für Anorganische Chemie der Universität Regensburg.
Praktikum Anorganische Chemie I, Regensburg, 2006, S. 108‐111.
G. O. Müller: Lehrbuch der Angewandten Chemie, Band III, S. Hirzel Verlag, Leipzig, 1971, S. 441, 442.
Demonstrationsvortrag in Anorganischer Chemie, C. Müller: Wasser – Bestandteile und Umwelt,
29.11.2002, Wintersemester 2002/2003, Regensburg; s. http://www.chemie.uni‐regensburg.de/
Anorganische_Chemie/Pfitzner/demo/demo_WS0203/wasser.pdf
http://schulen.eduhi.at/riedgym/physik/11/elektrostatik/elektrostatik.htm (Stand: 04.12.2009)
http://www.isb‐gym8‐lehrplan.de/contentserv/3.1.neu/g8.de/index.php?StoryID=26447
(Stand: 21.06.11)
4