Experimente zum Nachweis der Polarität von Wasser

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Wasser aus der Sicht der Chemie
Das Wassermolekül
Experimente zum Nachweis der Polarität von Wasser
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“:
E-Dossier Wasser: Wasser aus der Sicht der Chemie
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 gleiAbb. 1-1. Links: Fliessendes Wasser, Mitte: Fliessendes Wasser in
chen Einrichtung gezeigt werden.
einem elektrischen Feld, rechts: Fliessende unpolare Flüssigkeit (BenWird mit einer unpolaren Flüssigzin) in einem elektrischen Feld.
keit, 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. 1-2. Schematische Darstellung eines Wassertropfs in einem elektrischen Feld.
Jedes Wassermolekül erfühlt eine horizontale elektrische Anziehungskraft F E 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. 1-5 rechts).
Abb. 1-3. Ein Blatt Papier wird mit Wachsmalkreide bemalt (links) und
in kleine Vierecke geschnitten (rechts).
Abb. 1-4. 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. 1-5. 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. Zu ckern 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 (wissenschaftlich: hydrophil). Denken wir an die Menge Wasser, die mit Haushaltpapier aufgewischt werden kann!
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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 si ch
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 (SiO2) 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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