Kalk-Das Gespenst in der

Wasserleitung

Franziska Behrmann

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Gliederung

1. Kalk2. Was ist Wasserhärte?3. Wie kommt die "Härte" ins Wasser?4. Vor- und Nachteile von hartem Wasser5. Entfernungsmöglichkeiten6. Schulrelevanz

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Eindampfen verschiedener

Wasserarten

Demonstration 1

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Was ist Kalk?

• Kalk = Calciumcarbonat (CaCO3)

• Modifikationen: Calcit Aragonit Vaterit

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• Naturprodukte:

• Veredelte Produkte:

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Was ist Wasserhärte? • Härte:

Eigenschaft von Wasser bei Anwesenheit von Calciumionen die Waschwirkung von Seife herabzusetzen.

• Härtebildner Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2, CaCl2, CaSO4

• Temporäre und permanente Härte = Gesamthärte

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Wasserhärte• Härteangabe in mmol/L oder °dH: 1 mmol CaO/L = 56 mg CaO/L = 5,6

°dHHärtegrad Härtebereic

h0-4°dH sehr weich4-8°dH weich

8-12°dH mittelhart12-19°dH ziemlich hart19-30°dH hart>30°dH sehr hart

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Bestimmung der Wasserhärte

Versuch 1

9

Versuch 1 1. Bestimmung der Carbonathärte:

• 1 mol H3O+ = 1 mol HCO3- = 0,5 mol Ca2+ =

0,5 mol CaO • 1 mmol CaO/L = 5,6 °dH

100 mL Wasserprobe: 1 mL 0,01 M HCl = 0,05 mmol CaO/L = 0,28 °dH

- +3(aq) 3 (aq) 2(g) 2HCO +H O CO +H O

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EDTA (Ethylendiamintetraacetat) • Komplexbildner:

6-zähniger Ligand• Chelatkomplexe

H2CO

O

NCH2

CH2O

OH2C

N

H2C

CH2

O

O

O

O

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2.Bestimmung der Gesamthärte:

Ca2+OH2

OH2

H2O

H2O

OH2

OH2

N N

CO2 CO2 CO2 CO2

Ca2+O

O

N

N

O

O

O

O

O

O

6 H2O

2+ 2- 2- +2 6 (aq) 2 (aq) (aq) (aq) 2[Ca(H O) ] +H EDTA [Ca(EDTA)] +2H +6H O

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• Gesamthärte wird als Ca2+ bzw. CaO/L berechnet:

• 1 mol EDTA = 1 mol Ca2+ = 1 mol CaO • 1 mmol CaO/L = 5,6 °dH

100 mL Wasserprobe: 1 mL 0,01 M EDTA = 0,1 mmol CaO/L = 0,56 °dH

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Kalkgleichgewicht

Versuch 2

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Kalkgleichgewicht

2

2+ 2- -93 3 2L(CaCO ) = c(Ca ) c(CO ) = 4,7 10 mol

L

2+ 2-3(s) (aq) 3(aq)

2- -3(aq) 2 2(aq) 3(aq)

2+ -3(s) 2 2(aq) (aq) 3(aq)

CaCO Ca + CO

CO + H O+ CO 2HCO

CaCO +H O+CO Ca +2HCO

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Bildung von

Tropfsteinen

Demonstration 2

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Kalkkreislauf

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18

Schaumbildung

Versuch 3

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Bildung von Kalkseife • Regenwasser und destilliertes Wasser frei

von Calciumionen• Mineral- und Leitungswasser enthalten

Calciumionen

C

O

O CH3n

22Na++ +

C18-20

Ca2+

C

O

O CH32

Ca2+

n

Kalkseife

+(aq)

Seifenlösung

(aq)

(s)

(aq)

2Na+(aq)

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Kalkseife

• wasserunlöslich

• nicht waschaktiv

• hinterlässt grauen Belag

• Angriff auf Faserstruktur

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Wirkung von

Weichspüler

Demonstration 3

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Nachteile von hartem Wasser • Kesselsteinbildung in Warmwasser- und

Heizungsanlagenschlechter Wärmeleiter hoher EnergieverbrauchÜberhitzung von Elektrogeräten

• Querschnittsverengung von Wasserrohren

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Nachteile von hartem Wasser

• gelöste Mineralien kristallisieren beim Trocknen

• Bitterer Geschmack in Trinkwasser & Beeinflussung der Aromen von Tee und Kaffee

• Kalkflecken

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Vorteile von hartem Wasser

• Calcium eines der häufigsten Elemente im menschlichen Körper

• Calciummangel beim Menschen → Rachitis

• Korrosionsschutzschicht • Neutralisiert aggressive Kohlensäure• Pufferwirkung im Boden

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Wasserenthärtungsmöglichkeiten

• Ausfällen • Auflösen• Komplexierung• Ionenaustauscher • Physikalische Wasserbehandlung

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Lösen von Kalk

Versuch 4

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Kalkentfernung durch Säure

(aq) 3(s) 2 3(aq) 2(aq)

2 3(aq) 2(g) 2

2(aq) 2(g) 3(s) 2

2HCl +CaCO H CO +CaCl

H CO CO +H O

Ca(OH) +CO CaCO +H O

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Ionenaustauscher• Ionenaustauscher = makromolekulares,

wasserunlösliches Gerüst mit festen Ankergruppen und austauschbaren Gegenionen

Kunstharz mit sauren (-SO3H) oder basischen (-N(CH3)3OH) Ankergruppen

Kationen- oder Anionenaustauscher

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Zeolithe

• "zeo" (ich siede) und "lithos" (der Stein)• Natriumaluminiumsilikate:

dreidimensionale Netzwerke aus SiO4- und AlO4- Tetraedern

• Substitution von Silicium (Si4+) durch Aluminium (Al3+) → negative Ladung

• Anlagerung von Alkalimetall-Ionen

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Zeolithe• natürliche Zeolithe: Faujasit,

Sodalith, Ultramarin künstliche Zeolithe: Zeolith X,

Zeolith Y, Zeolith A• Verwendung: Molekularsiebe,

Katalysatoren, Ionenaustauscher, Schmuck

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Zeolith A (Na12[Al12Si12O48]·27H2O)

• Sodalith-Käfige als Baueinheit

• α-Käfig in der Mitte

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Wirkung von

Zeolithen

Versuch 5

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Ionenaustauschende Wirkung

d.h. Zeolithe reagieren alkalisch in Wasser

Verschiebung des Gleichgewichts durchÜberschuss an Natriumionen

Regeneration des Ionenaustauschers

- +2Zeolith-Na+H O Zeolith-H+OH +Na

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Versuch 6

Entkalkung durch

Vollwaschmittel

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Wasserenthärtung durch Ionenaustauscher

Si O Al-

O O

O

O

O

O

Al-

SiO O

OO

O

2Na+

Si O Al-

O O

O

O

O

O

Al-

SiO O

OO

O

Ca2+

+Ca2+ +2Na+

2+2 2 2 12 2 (aq)

+2 2 12 2 (aq)

Na [Al Si O ]×nH O+Ca Ca[Al Si O ]×nH O+2Na

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Schulrelevanz• 8.Klasse: Salze• 9.Klasse:

WasserSäuren / LaugenKalk

• 12.Klasse: Bedeutung und Verwendung von

Komplexverbindungen Waschmittel

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Fazit:

Kalk ist ein harmloses Gespenst, welches mit

einfachen Mitteln vertrieben werden kann!