Wasser

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Inhaltsverzeichnis

Einstieg: Fakten zum Wasser

Was man wissen sollte:
  • Formel: H2O
  • Dichteanomalie für Temperaturen zwischen 0°C und 4°C, weswegen Eis auf Wasser schwimmt.
  • Gutes Lösungsmittel für sogenannte salzartige Verbindungen.
  • Nicht mischbar mit Kohlenwasserstoffen und öligen Substanzen, wie Benzin und Öl. Solche Gemisch können mit Emulgator aber Emulsionen bilden.
  • Schmelztemperatur = 0°C; Siedetemperatur = 100°C
  • Dichte: 1 g/cm3 -> 1 l = 1000 cm3 wiegen 1 kg


Interessantes:

  • 2/3 der Erde ist mit Wasser bedeckt.
  • ca. 63 % des menschlichen Körper besteht aus Wasser.
  • Wichtigste Voraussetzung zur Besiedlung eines fremden Planeten ist Wasser.

Kurioses:

Was es noch über Wasser zu wissen gibt

Nuvola apps kpdf recolored.png Im Buch zu lesen: Zum Thema Wasser und seine Eigenschaften findest du in unserem Buch Informationen auf den Seiten 121 und 122.


  • Ein paar Aspekte der Bedeutung von Wasser findet ihr im Film Ein ungewöhnlicher Stoff, gewöhnliches Wasser UbuntuStudio-Icons-Video Production.svg Teil 1/3 (bis 3:48 min)

Experimente für zu Hause

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 VERSUCH:

Folgende Experimente kannst du auch zu Hause durchführen. Informiere deine Eltern über die Experimente und beachte alle Sicherheitsvorschriften bei den Anleitungen:


Wiederholung: Teilchenmodell und Dichteanomalie des Wassers

Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe

Halte dir unter der Überschrift "Dichte-Anomalie des Wassers" ein paar der folgenden Informationen fest. Gerne auch mit Bildern und kurzer Beschreibung dazu.

Was ist an der Dichte von Wasser so unnormal? Schau dir auf dieser Seite das Video weiter unten links an.

Man sieht, dass die Dichte von festen Stoffen eigentlich immer höher ist, als die Dichte von Flüssigkeiten, weswegen die Feststoffe absinken. Erklärbar ist das durch das Teilchenmodell. Genauso, wie beim gasförmigen Stoff die Dichte auch niedriger ist, als bei einer Flüssigkeit.

Zur Erinnerung: Dichte = Masse/Volumen


Normalerweise ist es so: Man kann im folgenden (KOMMT NOCH!) Film erkennen, dass wie sich das Volumen verändert. Zuerst ist der Stoff fest. Dann wird erwärmt und wird flüssig. Dabei nimmt das Volumen ein klein wenig zu. Schließlich wird der Stoff gasförmig und da die Teilchen nun weit auseinander sind, brauchen Sie auch mehr Platz und so nimmt der Stoff mehr Platz sein. Je größer das Volumen, desto geringer wird die Dichte. Denn das Gewicht für einen bestimmten "Bereich" nimmt ab, weil weniger Teilchen vorhanden sind.

Und das ist beim Wasser aber eben nicht so! Deshalb ist es unnormal.

Hier noch ein paar Bilder, die zeigen, was diese Besonderheit bewirkt.


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ACHTUNG, Kontrolle!! - Zeigen Sie Ihre Kenntnisse zu den Eigenschaften von Wasser vor!

Dazu gibt es einen freiwilligen Test, in dem du über die Eigenschaften und Besonderheiten rund um das Wasser befragt wirst. Hier geht es zum Test. 
 

  


Frage: Ist Wasser ein Element?

Chemisch gesehen ist ein Element das Gegenteil einer Verbindung. Und da wir schon wissen, dass Wasser eine Verbindung (aus Wasserstoff und Sauerstoff -> H2O) ist, kann es kein Element sein.

Ein ELEMENT ist ein Reinstoff, der chemisch nicht weiter zerlegt werden kann.
Elemente sind zum Beispiel Metalle wie Eisen, Kupfer, Silber und Nichtmetalle wie Schwefel und Kohlenstoff.


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Ergänzt auf dem Übersichtsblatt, neben den Verbindungen, den Begriff Elemente und darunter Metalle und Nichtmetalle, jeweils mit je drei Beispielen.

Experiment: Elektrolyse von Wasser

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 VERSUCH:

Schülerversuch: Elektrolyse von Wasser mit Low-Cost-Geräten in der Schule. Hier noch einmal zum Anschauen.


ELEKTROLYSE ist die Zerlegung mit elektrischem Strom.
Allgemein: "-lyse" kommt von "Lösung", "Auflösung" und bezeichnet im Allgemein Vorgänge bei denen etwas zerlegt wird. PYROLYSE gleich Zerlegung durch große Hitze, ANALYSE gleich Auftrennung zur Untersuchung/Unterscheidung der Bestandteile usw. ...


Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe

Haltet das Experiment zur Elektrolyse schriftlich fest, indem ihr den Aufbau, das Ergebnis und die Untersuchung der sich entwickelnden Gase beschreibt. Tipps:

  • Für die Zeichnung des Aufbaus reicht es einfache Röhrchen mit glatten Elektroden zu skizzieren. Dazu gehört auf jeden Fall auch die Flüssigkeit.
  • Was kann man beobachten, wenn man den Strom anschließt?
  • Wieviel der Gase entwickeln sich?
  • Welches der Gase (Volumen?) verhält sich bei der Untersuchung wie?
UbuntuStudio-Icons-Video Production.svg Sehr viele Experimente rund um die Untersuchung der Zerlegung von Wasser findet ihr in zwei Videos auf YouTube. Ihr könnt euch auf die angegebenen Bereich konzentrieren: Die Atmosphäre - ist sie für uns nur Luft? Teil 1/2 (ab 8:40 min) und Teil 2/2 (bis 3:50 min)
Nuvola apps kpdf recolored.png Im Buch zu lesen: Zum Thema Wasserstoff-Eigenschaften findest du in unserem Buch Informationen auf der Seite 123.


Wissenswertes zum Wasserstoff

Nuvola apps kpdf recolored.png Im Buch zu lesen: Zum Thema Wasserstoff-Eigenschaften findest du in unserem Buch Informationen auf der Seite 123.
Was man wissen sollte:
  • Wasserstoff ist ein geruch- und farbloses Gas
  • Wasserstoff ist der Stoff mit der geringsten Dichte mit 0,09 g/l
  • Er verbrennt, wenn er rein ist, mit einer ruhigen gelben Flamme.
  • Mit Sauerstoff gemischt, bildet sich Knallgas.
    • Stöchiometrisches Gemisch: 2 Teile Wasserstoff und 1 Teil Sauerstoff

Filme mit Experimenten dazu: [1] [2] [3] [4] [5] [6]


Interessantes:

  • Früher wurde Wasserstoff als Füllgas für Zeppeline verwendet, bis es zu einer Katastrophe in Lakehurst (USA) kam. Allerdings scheint es so zu sein, dass nicht der Wasserstoff sondern ein leicht entzündlicher Außenlack die Katastrophe verursachte (Bericht dazu). Heute verwendet man Helium. Nachgestellte Hindenburg-Katastrophe hier.
  • Wasserstoff ist energiereich, denn die Reaktion zur Gewinnung ist endotherm (man braucht Strom!). Umgekehrt ist die Verbrennung von Wasserstoff endotherm.
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 VERSUCH:

Lehrer-Versuch: Knallige Experimente zu Wasserstoff

  • Luftballon mit Wasser
  • Wasserstoff-Seifenblasen, Wasserstoff/Sauerstoff-Seifenblasen
  • Wasserstoff wird in einem Zylinder gefüllt


Nuvola apps kpdf recolored.png Im Buch zu lesen: Zum Thema Wasserstoff in der Luftfahrt findest du in unserem Buch Informationen auf der Seite 124.


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ACHTUNG, Kontrolle!! - Zeigen Sie Ihre Kenntnisse zu Wasserstoff vor!


Du kannst dein Wissen in einem Kreuzworträtsel] testen. Klicke hier (am besten rechts) drauf, um es zu bearbeiten. 
 

  


Frage: Wie kann Wasser(stoff) der Energieträger der Zukunft sein?

Durch die Elektrolyse von Wasser kann man ja, wie ihr schon festgestellt habt, Wasserstoff gewinnen. Da Wasserstoff energiereicher ist als Wasser - er wird ja erst durch Zugabe von Energie, wie etwa Strom, aus Wasser gewonnen - kann er auch als Energiespeicher bzw. -lieferant fungieren. Dieses Thema kommt in den letzten Jahren immer mehr ins Gespräch. Welche Bedeutung Wasserstoff als Energieträger haben kann und was man noch alles wissen sollte, nun als Aufgabe ...

Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe

Informiert euch (auch zu Hause) auf den folgenden Seiten über Wasserstoff als Energieträger. Bearbeitet dann in der Schule die Fragen:

Fragen:

  1. Welche Möglichkeiten gibt es Wasserstoff zu gewinnen?
  2. Woher bekommt man die dafür notwendige Energie? Welche davon sind sinnvoll und/oder wirtschaftlich?
  3. Welche Vorteile hat Wasserstoff als Energieträger gegenüber von fossilen Brennstoffen oder Batterien?
  4. Welche Nachteile hat Wasserstoff als Energieträger?
  5. Welche Möglichkeiten gibt es Wasserstoff zu speichern?
  6. Welche Möglichkeiten gibt es, die Energie im Wasserstoff zu nutzen?
  7. Wie unterscheiden sich Brennstoffzellen von "normalen" Motoren.
Nuvola apps kpdf recolored.png Im Buch zu lesen: Zum Thema Wasserstoff als Energieträger findest du in unserem Buch Informationen auf xxx.


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Bearbeitet das Aufgabenblatt zum schon oben vorgestellten Artikel In Ostfriesland wird Windstrom zu Methangas

Frage: Saurer Regen - Was ist das und warum ist das so schlimm?

Saurer Regen? Schmeckt er nach Zitrone? ... Zunächst kommt der Begriff "sauer" sicher vom dem Geschmack "sauer", einem der fünf Geschmacksrichtungen, die der Mensch auf der Zunge unterscheiden kann. Chemisch gesehen geht es genauer um "saure Lösungen", doch da der Mund nie ganz trocken ist, ist es beim beim Schmecken unwichtig, dies extra zu erwähnen.

In der Chemie hat "sauer" nicht nur etwas mit Geschmack zu tun, denn es gibt zahlreiche Lösungen, bei denen wir niemals auf die Idee kämen sie zu probieren, die aber ein ähnliches, chemisches Verhalten zeigen, wie sauer schmeckende Lebensmittel.

In den folgenden Experimenten geht es darum, ein wenig über saure Lösungen zu erfahren, wie sie sich anderen Stoffen gegenüber verhalten und wie man auch bei giftigen oder unbekannte Lösungen feststellen kann, ob sie sauer sind oder nicht. Wenn es um sauer geht, müssen wir aber auch nicht-saure Lösungen kennenlernen und schauen uns danach um, um wir auch eine Möglichkeit haben, etwas zu entsäuern.

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 VERSUCH:

Wir führen Experimente zu den folgenden Themen durch:

  • Wie weißt man saure Lösungen chemisch nach?
  • Können Lösungen noch was anderes als sauer sein? Es werden Zucker, Laugenbrezel, Salz, Waschmittel, Soda, Backpulver, ... untersucht.
  • Wie wirkt sich Säuren/Laugen auf verschiedene Stoffe aus?
  • Wie kann man eine Lösung "entsäuern"?
  • Die Stärke einer Säure bestimmen.
  • Rotkraut, Blaukraut, Grünkraut?

Die Anleitungen zu den Experimenten findet ihr auch hier auf dieser Seite, so dass ihr die Experimente besser zu Hause nachbearbeiten könnt. Im Unterricht sind sie aber auch auf Kärtchen bei den Materialien vorhanden, so dass ihr sie euch nicht ausdrucken müsst.


Mit den neuen Erkenntnisse wirst du dann die Auswirkung des saurer Regen verstehen können und auch warum welche Maßnahme ergriffen werden.

Parallel zu den Experimenten solltet ihr euch als Hausaufgabe im Buch die dazu passenden Seiten durchlesen. Mit den Erkenntnisse aus den Experimenten solltet ihr dann alles wichtige zu Säuren und Laugen erfahren.

Nuvola apps kpdf recolored.png Im Buch zu lesen: Zum Thema Saure und alkalische Lösungen findest du in unserem Buch Informationen auf auf den Seiten 127, 129, 130 und 133 (innere Hälfte) .

Neue Begriffe

Folgende Begriffe tauchen im Rahmen der Experimente auf. Halte die Definitionen fest, wenn du ein Experiment dazu gemacht hast und notiere dazu weitere Beobachtungen aus den Experimenten:
  • Lösung: Homogenes Gemisch von Wasser mit einem anderen Stoff, der in Wasser löslich ist.
  • Saure Lösung: Sind durch sauren Geschmack oder durch die Farbänderung eines Indikator nachweisbar. Universalindikator färbt sich rot.
    • Oxide von Nichtmetallen bilden in Wasser gelöst Säuren (Kohlendioxid -> Kohlensäure, Schwefeltrioxid -> Schwefelsäure)
  • Alkalische Lösung: Enthält man durch das Auflösen von Kernseife, Soda oder (einige) Waschmittel in Wasser. Es fühlt sich seifig an und färbt Universalindikator blau.
    • Lauge: Spezielle Art alkalischer Lösungen. Beispiel: Natronlauge (enthält Natrium) wird für die Herstellung von Laugenbrezeln verwendet.
    • Oxide von Metallen bilden in Wasser gelöst Laugen.
  • Neutralisation: Gießt man saure und alkalische Lösungen im richtigen Verhältnis zusammen, erhält man eine neutrale Lösung, die weder sauer noch alkalisch ist.
  • pH-Wert: Maßzahl, mit der angegeben wird, wie stark sauer bzw. alkalisch eine Lösung ist. pH = 7 ist neutral, pH zwischen 0 und 7 bedeutet sauer, pH zwischen 7 und 14 bedeutet alkalisch. Eine Übersicht hier.
    • Der pH-Wert hängt auch von der Konzentration der Lösung ab.
    • Verdünnt man saure Lösungen, so steigt der pH-Wert an, bis die Lösung neutral ist (pH = 7).
    • Verdünnt man alkalische Lösungen, so sinkt der pH-Wert, die die Lösung neutral ist (pH = 7).
  • Indikator: Farbstoff, der durch Farbänderung anzeigen kann, ob eine Flüssigkeit sauer, neutral oder alkalisch ist. Link zu einer deutschen Wikipedia-Seite Indikator 
    • Indikatorpapier: Papier, auf dem ein Indikator aufgetragen wurde, um den pH-Wert in Flüssigkeiten zu bestimmen.
    • Universalindikator: Gemisch verschiedener Indikatoren, mit denen man den pH-Wert bestimmen kann.
    • ACHTUNG: Da verschiedene Indikatoren unterschiedliche Farben haben, muss man sich bei der Anwendung informieren!
  • Ätzend: Saure und alkalische Lösungen sind sehr reaktiv. Sie reagieren mit vielen Stoffen:
    • Saure Lösungen reagieren mit unedlen Metallen unter Bildung von Wasserstoff und zersetzen Kalkstein unter Bildung von Kohlendioxid.
    • Starke Säuren wirken wasserentziehend auf organische Stoffe und können so Haut zerstören.
    • Alkalische Lösungen zersetzen Haare und Fette (-> wird im Rohreiniger genutzt!)
BILDER und INFORMATIONEN zu den Definitionen zum Herunterladen und Ausdrucken gibt es in diesem Dokument.

Anwendungaufgaben

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Teste dich! Erkennst du, welche Eigenschaften von sauren und alkalischen Lösungen hier im Alltag eine Rolle spielen?

  1. Bei Zugabe von Zitronensaft in schwarzem Tee (normale Farbe: bräunlich!) verfärbt er sich leicht ins rotbraune.
    Im Tee ist ein Farbstoff enthalten, der auch ein Indikator ist. Die Zugabe des Saftes, der ja Säure enthält, ändert dann die Farbe.
  2. Auf der Packung von Natron gibt es verschiedene praktisch-medizinische Anwendungen, die meist nur älteren Leuten bekannt sind. Heutzutage wird dann eher auf ein teures Mittel aus der Apotheke zurückgegriffen. So wird Natron als Hilfe bei Sodbrennen (überschüssige Magensäure) empfohlen.
    Soda reagiert mit der Magensäure, weil es selber in Wasser gelöst eine alkalische Lösung ergibt. Es kommt also zu einer Neutralisation und damit wird die störende Magensäure verbraucht.
  3. Cola ist eine Gefahr für die Zähne! Legt man zum Beispiel Milchzähne in Cola, so sind sie nach einiger Zeit verschwunden.
    Säuren sind ja sehr reaktiv. Vermutlich sind in Zähnen Stoffe ähnlich wie Kalk enthalten, die mit der Säure reagieren. In Cola ist übrigens neben Zitronensäure auch Phosphorsäure enthalten. Lässt man der Säure genügend Zeit ist das Zahnmaterial, das ja reagiert, aufgebraucht. Übrigens ist das auch der Grund, warum viele den allgegenwärtigen Zusatz von Zitronensäure (auch Kalkreiniger!) in vielen Lebensmittel kritisieren.
  4. Setzt man Hortensien in einen kalkhaltigen Boden, so ändern Sie ihre Farbe von blau nach rosa
    Die Vermutung liegt nahe, dass der Farbstoff der Hortensie auch ein Indikator für Säuren ist und der kalkhaltige Boden einen anderen pH-Wert als normale Gartenerde hat.
  5. Manche Waschprodukte haben die Aufschrift "pH-Hautneutral" und pH = 5,5. Es wird auch vor dem häufigen Einsatz von (normaler) Seife gewarnt, das sie den Säureschutzmantel der Haut zerstört.
    Bei dem "Säureschutzmantel" handelt es sich um eine Schicht auf der Hautoberfläche, die einen pH-Wert von 5,5 hat, also sauer ist. Diese Schicht verhindert das Eindringen von Krankheitserregern. Einfache Seifen (wie Kernseife), die häufig alkalisch reagieren, neutralisieren die Schutzschicht weswegen die Haut leichter angreifbar ist.
  6. Brausepulver enthält unter anderem Zitronensäure-Pulver und Natriumhydrogencarbonat. Erst wenn man die Brause in Wasser auflöst, fängt es an zu blubbern. Warum das?
    Eine Säure braucht immer Wasser um wirken zu können. In Wasser aufgelöst hat man also eine saure Lösung. Das Hydrogencarbonat reagiert ähnlich wie Kalkstein (Calciumcarbonat) mit der dann entstandenen sauren Lösung: Es wird Kohlendioxid frei, also ein Gas.
  7. Leitet man die Verbrennungsabgase von Methangas (CH4) in Wasser, so bildet sich eine leicht saure Lösung.
    Als Verbrennungsabgase von Methan entstehen Wasser aus dem enthaltenen Wasserstoff (H) bzw. Kohlendixoid aus dem enthaltenen Kohlenstoff (C). Wasser ist neutral, aber Kohlendixoid ist ein Nichtmetalloxid und bildet deshalb in Wasser gelöst eine Säure.
  8. Beim Kochen von frisch-gehobeltem Blaukohl, gibt die erfahrene Hausfrau gerne mal ein paar Stückchen eines säuerlichen Apfels hinein. Dadurch bekommt man die appetitliche Farbe des Rotkohls.
    Apfel enthält Säure und Rotkohl enthält einen Farbstoff, der auch als Indikator für Säuren wirken kann.
  9. Essig ist eines der besten Hilfsmittel um Kalkflecken zu entfernen, die sich bilden können, wenn Wassertropfen eintrocknen.
    Die im Essig enthaltene Säure reagiert mit dem Kalk. Bei genauerer Betrachtung und ausreichenden Mengen an Kalk erkennt man, das es leicht blubbert. Der Kalk löst sich auf und es entsteht nebenbei Kohlendioxid.
  10. Zement enthält gebrannten Kalk, also Calciumoxid (Calcium ist ein Metall!). Warum ist ein Gefahrenzeichen auf der Zementpackung drauf?
    Metalloxide bilden in Wasser alkalische Lösungen. Da im Zement viel davon enthalten ist, ist der pH-Wert also sehr hoch. Kommt etwas davon in die Augen kann das zu einer Verletzung führen. Und auch die (normale) Haut wird davon angegriffen!

Frage: Welche Auswirkungen hat denn nun saurer Regen?

Nun kennst du als die typischen Eigenschaften von Säuren. Die Auswirkungen von saurem Regen bekommst du ausführlich zum Beispiel auf der Wikipedia-Seite zum Thema Link zu einer deutschen Wikipedia-Seite Saurer Regen  beantwortet. Kurz zusammen gefasst:

  • Die Übersäuerung des Bodens führt zum Waldsterben und es wird dadurch die natürliche Zusammensetzung des Bodens gestört, da saure Lösungen nicht nur mit Kalk (Calciumcarbonat) reagieren, sondern auch noch mit anderen salzartigen Verbindungen, die sonst nicht in Wasser löslich sind. Dabei werden giftige Schwermetalle freigesetzt, die die Feinwurzeln der Bäume absterben lassen, so dass sie nicht mehr genügend Wasser und Nährstoffe aufnehmen können.
  • Gewässer werden, wie der Boden, mit giftigen Schwermetallen belastet, welche für einige Wasserlebewesen Zellgifte sind, so dass einige Tierarten aussterben. Speziell die Übersäuerung der Meere könnte so eine Bedrohung für das Fortbestehen von Muscheln und Schnecken bedrohen, da sich ab einem bestimmten pH-Wert die Kalkschalen dieser Tiere auflösen.
    • Umgekehrt haben Gewässer, mit großen Kalksteinablagerungen keine Probleme mit einer Übersäuerung.
  • Saurer Regen wirkt sich auch direkt auf Zerstörung von Bauwerken aus. Vor allem Sand- und Kalksteine (auch Carbonate) werden angegriffen, aber auch Marmor, der mit Säure reagiert. Beton und Stahlkonstruktionen können schneller bei saurem Regen korrodieren.
  • Bekämpfung der Symptome: Als Gegenmaßnahme versucht man in vielen Gegenden Europas (in der Schweiz verboten), mit Kalk die Übersäuerung zu neutralisieren. Vielerorts werden hierzu große Mengen Kalk per Hubschrauber verstreut.
  • Bekämpfung der Ursachen: Man ist seit den 80er-Jahren dazu übergegangen, Rauchgase (ein spezieller Typ von Abgasen) zu entschwefeln. Dabei wird das SO2 aus dem Abgas entfernt.
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Beschreibe und begründe die Informationen zum Sauren Regen mit den gelernten Fachbegriffen

Weitere interessante Ergänzungen rund um Säuren und Laugen

Auf der Suche nach Ideen für Experimente fand ich einige nette Seiten, die auch für euch interessant sein könnten. Viel Spaß beim anschauen ;-)

  • Informationen und Backanleitungen rund um das Laugen-Gebäck.
  • Welche Farben das Blaukraut annehmen kann. Bei den Experimenten kam ja schon Blaukohl und Rotkraut vor. Auf diesem Bild siehst du alle Farben, die möglich sind.
    • Der Indikatorfarbstoff, der im Rotkohl enthalten ist, findet man auch in anderen Pflanzen. Hier gibt es ein paar Bilder mit Beispielen von anderen Pflanzen, die auch den gleichen Farbstoff enthalten.
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