Wasserhärte_13 - WordPress.com
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Grimmelshausengymnasium Fachtag Chemie - Rund um’s Waschen 30. – 31.10.2012 Hartes Wasser Im Trinkwasser sind je nach Region größere oder kleinere Mengen Calciumhydrogencarbonat und weitere Salze enthalten. Für den Geschmack und die Bekömmlichkeit sind diese gelösten Salze unabdingbar. Im Wasserkocher und in der Waschmaschine sind sie oft ein Ärgernis. Beim Erhitzen des Trinkwassers wird das gelöste Calciumhydrogencarbonat in schwerlösliches Calciumcarbonat umgesetzt und tritt als Kesselstein auf. Die Calcium-Ionen bilden im Waschwasser mit den waschaktiven Substanzen Kalkseifen. Damit stehen diese waschaktiven Substanzen für den Waschvorgang nicht mehr zu Verfügung. Den Waschmitteln werden daher oft sogenannte Komplexbildner zugesetzt. Diese sollen die CalciumIonen umlagern und in der Folge eine Reaktion mit den waschaktiven Substanzen verhindern. Der Gehalt an Calciumhydrogencarbonat im Wasser wird mit der temporären Härte oder der Carbonathärte beschrieben. Üblich sind dabei die Angaben in mmol/l und in Grad deutscher Härte (0dH). Wasser mit der Carbonathärte 10dH hat eine Konzentration von 0,18 mmol/l Calcium-Ionen formal aus Calciumhydrogencarbonat (entspricht 10 mg/l CaO). Die Gesamthärte ist ein Maß für die Konzentration der Calcium-Ionen aus allen gelösten Calciumsalzen. Auch sie wird in mmol/l bzw. in 0dH angegeben. Bei hartem Wasser muss die Waschmittelzugabe höher dosiert werden, um die Calcium-Ionen weitgehend durch Komplexbildung zu eliminieren. Auf vielen Verpackungen von Waschmitteln ist daher die notwendige Dosierung nach Härtegrad oder Härtebereich angegeben. Kalkablagerungen in der Waschmaschine Anleitung zur Dosierung des Waschmittels Versuche zur Bestimmung der Wasserhärte Chemikalien / Gefahrenhinweise Methylorange-Lösung (Xn), EriochromschwarzT-Lsg. (Xn), Salzsäure (0,01 mol/l), Lösung aus Ethylendiamintetraacetat-Dinatrium (EDTA) (0,01 mol/l), Ammoniumpuffer (100 ml Lösung aus 15 ml (13,5 g) 25%ige Ammoniak-Lösung, 10 g Ammoniumchlorid und Wasser (Xi), zwei Trinkwasserproben (G und B) Geräte Erlenmeyerkolben (300 ml), Bürette, Messzylinder (50 ml), Pipette (1ml) Entsorgung Lösungen verdünnen und in den Ausguss geben (E1), und alkalische Lösungen neutralisieren und in den Ausguss geben (E2) 1.Saure Carbonathärte In einem Erlenmeyerkolben werden die 50 ml- Trinkwasserproben jeweils mit 2 Tropfen Methylorange versetzt und mit der Salzsäure titriert. Berechnen aus den Ergebnissen die Carbonathärten und ergänzen Sie die Werte in der Tabelle. 2. Gesamthärte Hier werden die 50 ml- Trinkwasserprobe mit 2 Tropfen EriochromschwarzT-Lösung, 2 Tropfen Methylorange-Lösung und 1 ml Ammoniumpuffer versetzt und mit EDTA titriert. Berechnen Sie die Gesamthärten und ergänzen Sie die Werte in der Tabelle. Probe Carbonathärte in mmol/l / Gesamthärte in mmol/l / 0dH 0dH G B / / / / 1 Infobox Wasserhärte Bei der Ermittlung der Carbonathärte wird mit einer Neutralisationstitration die Konzentration der HydrogencarbonatIonen bestimmt. Wegen des stöchiometrischen Verhältnisses im Calciumhydrogencarbonat von 1:2 ist die Konzentration der Calcium-Ionen halb so groß wie die der HydrogencarbonatAnionen. Die Bestimmung der Calcium-Ionen und damit die Gesamthärte erfolgt komplexometrisch. Die Calcium-Ionen reagieren dabei in schwach alkalischer Lösung mit EthylendiamintetraacetatAnionen zu einem stabilen Komplex im stöchiometrischen Verhältnis von 1:1. Der Indikator bildet mit den Calcium-Ionen zunächst einen purpurroten Komplex und erscheint am Äquivalenzpunkt in seiner ursprünglichen Farbe blau bzw. nach Zugabe von Methylorange grün. Grimmelshausengymnasium Fachtag Chemie - Rund um’s Waschen 30. – 31.10.2012 Weitere Aufgaben: 1. Bei der Ermittlung der Carbonathärte wird im 1. Versuch mit einer Neutralisationstitration die Konzentration der Hydrogencarbonat-Ionen bestimmt. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung zu dieser Neutralisationsreaktion. 2. Die Zuordnung der Gesamthärte zu einem Härtebereich erfolgt nach dem europäischen Standard vom 05.05. 2007. Härtebereich weich mittel hart c(Ca2+) in mmol/l < 1,5 1,5 – 2,5 > 2,5 < 8,4 8,4 – 14 > 14 0 dH Ordnen Sie die Härte der beiden Wasserproben einem Härtebereich zu. Probe G B Härtebereich 3. Die Tabelle zeigt das Ergebnis einer Trinkwasseranalyse (Auszug) der Hausbornquelle in Büdingen/ Hessen. Kationen Anionen Ca2+ 78 mg/l HCO3- 94 mg/l Na+ 11 mg/l Cl- 25 mg/l K+ 4 mg/l NO3- 39 mg/l Titrierstand mit Erlenmeyerkolben, Bürette und Magnetrührer O Berechnen Sie die Carbonathärte und die Gesamthärte einer Wasserprobe der Hausbornquelle (H). Ergänzen Sie die Werte in der Tabelle. Ergänzen Sie auch den Härtebereich. H Probe - O O OH - N HO N O O- O Ethylendiamintetraacetat-Dinatriumsalz (H2Y2-) Carbonathärte in mmol/l / 0dH Gesamthärte in mmol/l / 0dH Härtebereich 4. Bei der Reaktion der Anionen aus dem EthylendiamintetraacetatDinatriumsalz (H2Y2-) mit den Calcium-Ionen werden zwei H+-Ionen abgegeben, so dass das vierfach geladene Anion (Y4-) vorliegt. Dieses Anion bildet mit einem Ca2+-Ion eine stabile komplexe Verbindung. a) Ergänzen Sie in der Strukturformel die freien Elektronenpaare. Markieren Sie in dem Molekül die 6 Gruppen, die mit dem Ca2+-Ion ein koordinative Bindung eingehen können. b) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung zur Bildung der komplexen Verbindung [Ca(Y)]2-. Verwenden Sie für das Anion des Ethylendiamintetraacetat-Dinatriumsalzes ebenfalls die Kurzform. Teststreifen zur Bestimmung der Wasserhärte 2 Grimmelshausengymnasium Fachtag Chemie - Rund um’s Waschen 5. Die bei der Komplexbildungsreaktion freigesetzten H+-Ionen werden mit dem Ammoniak aus der Puffer-Lösung sofort umgesetzt. a) Formulieren Sie dazu die Reaktionsgleichung. Benennen Sie das Produkt. b) Berechnen Sie den pH-Wert der Puffer-Lösung. Der pKB-Wert von Ammoniak beträgt 4,75. c) Erläutern Sie, warum sich der pH-Wert der Reaktionslösung (fast) nicht ändern auch nachdem Ammoniak mit den freigesetzten H+-Ionen teilweise umgesetzt wurde. 6. Berechnen Sie die pH-Werte der folgenden Lösungen und ergänzen Sie diese in der Tabelle. Lösung Lösung A: 50 ml Ammoniak-Lsg. (2 mol/l) und 50 ml Ammonium-chloridLösung (2 mol/l) Lösung A und 10 ml Salzsäure (1 mol/l) Lösung A und 10 ml Natronlauge (1 mol/l) 30. – 31.10.2012 Infobox Puffer Pufferlösungen sind wässerige Lösungen einer schwachen Säure und einem Salz dieser Säure oder einer schwachen Base und einem Salz dieser Base. Solche Lösungen haben einen bestimmten pHWert, der sich aus den Konzentrationen der Lösungen errechnen lässt. Dieser pHWert bleibt (fast) konstant auch wenn weitere Säuren oder Basen in diese Lösungen gelangen. Natürlich dürfen deren Mengen nicht allzu groß sein. Ein Zusatz von 10 %, bezogen auf die Stoffmengen der im Puffer gelösten Stoffe, verkraftet eine Pufferlösung in aller Regel insofern, dass der pH-Wert nach dieser Zugabe (fast) unverändert bleibt. Pufferlösungen werden bei Reaktionen eingesetzt, bei denen wie hier der pHWert gleich bleiben muss auch wenn durch die Reaktion Protonen gebildet werden. Die hier gebildete komplexe Verbindung aus den Calcium-Ionen ist bei dem hier eingestellten pH-Wert besonders stabil. Auch die Indikatoren entwickeln nur bei diesem pH-Wert die notwendige Brillanz. Ein weitere Anwendung ist das Eichen von pH-Messelektronen mit zwei Pufferlösungen unterschiedlicher pHWerte pH-Wert Lösung Wasser Wasser und 10 ml Salzsäure (1 mol/l) Wasser und 10 ml Natronlauge (1 mol/l) pH-Wert 7. Eriochromschwarz T und Methylorange sind Azofarbstoffe. a) Beschreiben Sie ausgewählte Gruppen in den Azofarbstoffen mit Formeln und Namen. NO2 N SO3Na+ N HO OH b) Erläutern Sie die Strukturmerkmale der Azofarbstoffe. N H3C N SO3Na+ N CH3 Eriochromschwarz T (oben) und Methylorange 3
