Experimentalvortrag

WASSER

Julia BlankenhornMarkus Kibel

Inhaltsverzeichnis

1) Herkunft, Vorkommen und allgemeine Daten2) Das Wassermolekül3) Eigenschaften von Wasser

3.1) Physikalische3.2) Chemische

4) Synthese, Elektrolyse und Nachweise5) Wassernutzung6) Bedeutung des Wassers für Mensch und Natur7) Zukunftsprognosen8) Wasser in der Schule

1) Herkunft

Wasser ist Bestandteil der Materie, aus dem sich das Sonnensystem gebildet hat

durch Einschläge von Kometen, auf die Erde gekommen

Vulkanismus: große Teile des Oberflächenwassers wurden im Verlauf der geochemischen Evolution „ausgeschwitzt“

In den Mineralien gebundenes Wasser wird beim Erhitzen abgegeben:

1) Herkunft

Wasser entsteht bei der Verbrennung von Biomasse:

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O    /exotherm

Wieso bleibt das Wasser auf der Erde?

Die Erde hat genau die richtige Entfernung zur Sonne! Die Erde ist genau schwer genug!

1) Vorkommen

Die Erde wird auch als blauer Planet bezeichnet. Sie ist der Planet mit dem größten Wasseranteil.

Zu 70% von Wasser bedeckt 97 % Meerwasser (Salzwasser)

  3 % Süßwasser Das meiste in Gletschern/Polkappen, industrielle

Zwecke

1) Allgemeine Daten

Verbrauch: 127 l pro Person am Tag

46 l Hygiene 34 l Toilettenspülung 12,7 l Wäsche waschen 8,9 l Garten und das Auto 7,6 l Geschirrspülen. 5 l kochen und trinken 13 l sonstiger Verbrauch

Menschlicher Körper besteht zum größten Teil aus Wasser:

Säugling zu 3/4 Erwachsene zu 2/3 älteren Menschen zu 1/2

2) Das Wassermolekül

Aufbau Wasser als Dipol Kräfte

2) Das Wassermolekül Aufbau Das Molekül des Wassers besteht aus

zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom

Das Wassermolekül entspricht von der räumlichen Struktur her einem Tetraeder

Die Wasserstoffatome schließen einen Winkel von 104,5° ein

2) Das Wassermolekül Dipolcharakter

O-Atom besitzt eine höhere Elektronegativität (EN=3,5), als H-Atome (EN=2,1)

Sauerstoffatom ist negativ polarisiert, die Wasserstoffatome sind positiv polarisiert

Das Wassermolekül ist also ein Dipol

Nach außen hin verhält sich das Wassermolekül neutral

Versuch

Ablenkung eines Wasserstrahls mit PVC-Stab

2) Das Wassermolekül Wasserstoffbrücken

Wasser ist aufgrund seines Dipolcharakters in der Lage andere Wassermoleküle an sich zu binden und somit Wasserstoffbrücken auszubilden.

Positiv polarisiertes H-Atom und das freie Elektronenpaar des O-Atoms ziehen sich an und bilden eine H-Brücke.

Ohne Wasserstoffbrücken:

Gefrierpunkt -80°C

Siedepunkt von –60°C.

3.1) Physikalische Eigenschaften Aggregatzustände Dichteanomalie Schmelz -und Siedepunkt Oberflächenspannung und Kapillarität Wärmkapazität Elektrische Leitfähigkeit Wasser als Lösungsmittel

3.1) Physikalische EigenschaftenAggregatzustände

Einzig bekannter Stoff, der in der Natur in allen drei Aggregatzuständen vorkommt:- fest (Eis)- flüssig (Wasser)- gasförmig (Wasserdampf)

Unter Normalbedingungen:- Siedepunkt 100°C- Gefrierpunkt 0°C

Abhängig von Druck und Temperatur

3.1) Physikalische EigenschaftenDichteanomalie

Bei 4°C hat Wasser die größte Dichte und das kleinste Volumen meisten H-Brücken

Sinkt die Temperatur auf < 4°C, nimmt das Volumen wieder zu. Anomalie des Wassers

Volumen Eis > Volumen Wasser Daher schwimmt Eis auf der Wasseroberfläche.

Wichtig für das Leben im Wasser:

See friert von oben nach unten zu

4°C warmes Wasser sinkt ab

Würde Wasser beim Abkühlen dichter (wie andere Stoffe), würde Eis absinken und immer neues Wasser würde gefrieren und wieder sinken bis der ganze See zugefroren wäre

3.1) Physikalische EigenschaftenSchmelz- und Siedepunkt Schmelz- und Siedepunkt des Wassers haben in der

Natur eine so große Bedeutung, dass sie unter anderem als Fixpunkte für mehrere Temperaturskalen benutzt wurden.

Im Vergleich zu ähnlichen Verbindungen (H2S), oder Stoffen mit ähnlicher molarer Masse (Methan) sehr hoher Siedepunkt aufgrund der H-Brücken

Methan = -164°C H2S = -60°C

Im Wasser gelöste Stoffe verändern Siede- und Schmelzpunkt.

3.1) Physikalische EigenschaftenOberflächenspannung

An der Oberfläche werden Moleküle nur einseitig in die Flüssigkeit gezogen

Im Wasser wirken die Kräfte von allen Seiten gleich

Aufgrund der starken Zwischenmolekularen Kräfte:

Je höher die Oberflächenspannung, desto mehr ist die Flüssigkeit bestrebt eine Kugelform anzunehmen.

3.1) Physikalische EigenschaftenOberflächenspannungNutzen für die Natur:

Aufgrund der Oberflächenspannung können sich Wasserläufer auf der Wasseroberfläche bewegen.

Mit der Oberflächenspannung hängt das Aufsteigen von Wasser in engen Röhren (Kapillaren) zusammen.Versorgung der Pflanzen mit Wasser aus den Wurzeln!

Waschmittel sind in der Lage die Oberflächenspannung des Wassers sehr stark herab zu setzen!

3.1) Physikalische EigenschaftenWärmekapazität

sehr hohe spez. Wärmekapazität: 4187 J/(kg·K) (vgl.: Kupfer 380 J/(kg·K))

Wärmekapazität = Energie, die aufgebracht werden muss um einen Körper um ein Grad zu erwärmen

Wasser kann sehr viel Energie aufnehmen, ohne dass sich die Temperatur deutlich erhöht!

Starke Anziehung der Moleküle hoher Energieaufwand um sie auf eine hohe Geschwindigkeit zu beschleunigen

3.1) Physikalische EigenschaftenElektrische Leitfähigkeit

Dissoziation des Wassers:Wenn zwei Wassermoleküle mit hoher Geschwindigkeit aufeinander treffen, dann kann folgende Reaktion ablaufen:

                 H2O + H2O <---> H3O+ + OH-

In ganz geringen Mengen liegen also Hydronium- und Hydroxidionen im Wasser vor. In sehr schwachem Maße ist Wasser deshalb ein elektrischer Leiter.

Gelöste Salze und Säuren erhöhen die Ladungsträgerkonzentration

3.1) Physikalische Eigenschaften Wasser als Lösungsmittel Wasser ist hervorragendes polares Lösungsmittel Bedeutet nicht, dass sich der Stoff mit diesem verbindet/reagiert bedeutet, Moleküle schieben sich zwischen die Wassermoleküle und

werden von Wasser umhüllt Hydratation

Abhängig von:

-Temperatur - Polarität der Stoffe- Gas oder Feststoff

3.1) Physikalische Eigenschaften Wasser als LösungsmittelLösen von:

Salzen/Kristallen

- gefördert durch Erhitzen - verteilen sich vollständig

Kristall + H2O + Energie —> Kristallbausteine (aq)

endotherm

Gasen

- erschwert durch Erhitzen - Proportional zum Druck

Gas (g.) + H2O (flüssig) —> Gas (aq) + Energie

exotherm

Sonstige besondere Eigenschaften Verdunstungskälte (Kühlung von Tieren/Pflanzen) Viskosität Benetzbarkeit Wärmeleitfähigkeit

3.2) Chemische Eigenschaften Reaktivität(Ampholyt) PH-Wert Ionenprodukt & Autoprotolyse

3.2) Chemische Eigenschaften Reaktivität

Wasser ist ein Ampholyt. Es kann sowohl als Säure aber auch als Base reagieren.

Base: HCl + H2O <--> H3O + Cl

Säure: Cl + H2O <--> HCl + OH

-

--

+

3.2) Chemische Eigenschaften PH-Wert Reines Wasser PH 7 kommt so fast nie

vor reagiert mit Teilchen

aus der Luft wegen Dipol sind im

Wasser in der Natur immer Stoffe gelöst

abhängig von der T.

„All-chemist“

3.2) Chemische Eigenschaften

PH-Werte

•Abhängig von der Temperatur:

Je höher die Temperatur, desto höher die Konzentration der H3O+ - Ionen!

3.2) Chemische Eigenschaften Ionenprodukt

2 H2O H3O+ + HO-

Dichte von Wasser bei 25 °C: 996 g/l:

Autoprotolyse

Molmasse: 18g/mol

n= m/M

n= 996g/18g/mol

n= 55,3mol

Was bedeutet Konzentration von H2O?

3.2) Chemische Eigenschaften IonenproduktDies bedeutet, in einem Liter undissoziertem Wasser sind:

55,3 Mole

[H3O+] · [OH-] = KW

Die Gleichgewichtskonstante KW nennt man das Ionenprodukt des Wassers. Ihr Wert hängt von der Temperatur ab; bei 25°C beträgt er 1·10-14 mol2 l-2

Ionenprodukt des Wassers Temperaturabhängigkeit

T/°C KW/mol2l-2

0 0.114 · 10-14

10 0.681 · 10-14

20 0.929 · 10-14

25 1,008 · 10-14

30 1,469 · 10-14

40 2,919 · 10-14

50 5,474 · 10-14

Auch mehrfach destilliertes Wasser besitzt eine geringe elektronische Leitfähigkeit. Dies liegt an der Autoprotolyse! (Ionen im Wasser)

4) Synthese von Wasser

Am Pt- Katalysator aus H2 und Luft-(O2).

Im Eudiometer, dient zu Klärung des Verhältnisses zwischen Sauerstoff und Wasserstoff im Wassermolekül.

4) Synthese am Pt-Katalysator

Katalysator setzt die Aktivierungsenergie wesentlich herab.

Die Reaktion ist exotherm.

4) Synthese mit dem Eudiometer

Die Reaktion wird durch Spannung gezündet.

Die Schüler sollen erkennen das Wasser aus 2 Teilen Wasserstoff und einem Teil Sauerstoff besteht.

2 H2 + O2 2 H2O

4) Elektrolyse (Hoffmann´scher Zersetzungsapparat)

Zerlegung des Wassers in seine ursprünglichen Bestandteile

Gleichspannung 20V

H2SO4 beschleunigt den Vorgang

Anschließender Nachweis der Gase

Vorsichtig bei H2 !

4) Elektrolyse

Kathode:   2 H2O + 2 e-       > H2 + 2 OH-

Anode:   2 H2O        > O2 + 4 H+ + 4 e-

Hoffmann´scher Zersetzungsapparat

H2: Knallgasprobe (in separatem RG)

O2: Glimmspanprobe

1.

Zersetzung Knallgasprobe(H2)

3.

Glimmspanprobe(O2)

4) Nachweis von Wasser

mit Kupfersulfat, eignet sich besser als Schülerversuch

mit Cobaltchlorid.

Es entstehen in beiden Fällen Komplexe mit Wasserliganden, die eine schöne Verfärbung zeigen!

4) Kupfersulfat und Wasser

CuSO4 + 5 H2O <--> CuSO4*5 H2Oweißes Kupfersulfat Kupfersulfat

Erhitzt man das blaue Kupfersulfat, so verdunstet das Wasser und man erhält wieder Weises zurück!

4) Cobaltchlorid und Wasser

CoCl2 + 6 H2O <--> CoCl2*6 H2OCobaltchlorid lila Komplex

Diese Reaktion läuft auch bei den Wetterfiguren ab.

Bei feuchter Wetterlage verfärbt sich die Figur lila!

5) Energie durch Wasserkraft

Gezeitenkraftwerke Laufwasserkraftwerke

Vor-und Nachteile der Energiegewinnung!

5) Gezeitenkraftwerk

Macht sich die durch den Mond hervorgerufenen Anziehungskräfte zu Nutzen

Liegt meist an Flussmündungen zum Meer

5) Laufwasserkraftwerk

Ähnliches Prinzip, nutzt die Fliesgeschwindigkeit eines Flusses.

Durch vorheriges Aufstauen, wird der Wirkungsgrad erhöht!

5) Vor -und Nachteile

Vorteile:

- Umweltfreundlich, da keine Schadstoffe

- Kein Verbrauch natürlicher Ressourcen

- Geringe Abgabe von Wärme

- Hoher Wirkungsgrad (etwa 90%)

Nachteile:

- vergleichsweise hohe Investitionskosten

- Häufig große Entfernungen zwischen günstigen Wasserkraftstandorten und Verbraucherzentren

- Energieerzeugung ist bei Wellenkraftwerken unregelmäßig

- Überstauung anderweitig nutzbarer Flächen und ökologisch Wertvoller Lebensräume

6)Bedeutung des Wassers für Mensch und Natur Wasser ist eine elementare Komponente für alles

Leben und unabdingbar für alle Lebewesen.

Wasser ist Baustoff bei der Photosynthese/Bestandteil der Organismen

Wasser ist Lösungsmittel, z. B. für die Bodennährstoffe

Wasser ist Nahrungsmittel

Für alle Organismen ist Wasser Lösungs-, Transport- und Quellungsmittel, es ermöglicht die zahlreichen Zellreaktionen

7) Zukunftsprognosen

Wasser - Das blaue Gold des 21. Jahrhunderts

8) Wasser in der Schule

Fächerübergreifend arbeiten NWA (Projektarbeit)

An einfachen Versuchen Experimentieren lernen (selbstständiges Arbeiten)

Vielseitigkeit von Wasser wird vermittelt(Bedeutung und Nutzen von Wasser)

Sorgfältiger Umgang mit Wasser Umweltbewusstsein entwickeln

Dieser Vortrag wurde Ihnen präsentiert von:

Julia Blankenhorn als Julia Blankenhorn

Markus Kibel als Markus Kibel

Regie: Prof. Dr. Achim Habekost

Bühnenbild und Requisite: Frau Hornstein

Kostüme: Chemieladen

Wir bedanken uns ebenfalls bei unseren Statisten:Ela, Gianpaolo, Rosa, Jonathan, Alex, Susanne, Manuela