Experimentalvortrag WASSER Julia Blankenhorn Markus Kibel

Inhaltsverzeichnis 1) Herkunft, Vorkommen und allgemeine Daten 2) Das Wassermolekül 3) Eigenschaften von Wasser 3.1) Physikalische 3.2) Chemische 4) Synthese, Elektrolyse und Nachweise 5) Wassernutzung 6) Bedeutung des Wassers für Mensch und Natur 7) Zukunftsprognosen 8) 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 Eigenschaften Aggregatzustände 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 Eigenschaften Dichteanomalie 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 Eigenschaften Schmelz- 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 Eigenschaften Oberflächenspannung Aufgrund der starken Zwischenmolekularen Kräfte: An der Oberfläche werden Moleküle nur einseitig in die Flüssigkeit gezogen Im Wasser wirken die Kräfte von allen Seiten gleich Je höher die Oberflächenspannung, desto mehr ist die Flüssigkeit bestrebt eine Kugelform anzunehmen.

3.1) Physikalische Eigenschaften Oberflächenspannung Nutzen 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 Eigenschaften Wärmekapazität 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 Eigenschaften Elektrische 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 Lösungsmittel Lösen 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 Autoprotolyse Molmasse: 18g/mol n= m/M n= 996g/18g/mol n= 55,3mol Was bedeutet Konzentration von H2O?

3.2) Chemische Eigenschaften Ionenprodukt Dies bedeutet, in einem Liter undissoziertem Wasser sind: 55,3 Mole  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 !

Kathode: 2 H2O + 2 e- > H2 + 2 OH- 4) Elektrolyse Kathode:   2 H2O + 2 e-       > H2 + 2 OH- Anode:   2 H2O        > O2 + 4 H+ + 4 e- H2: Knallgasprobe (in separatem RG) O2: Glimmspanprobe Hoffmann´scher Zersetzungsapparat

Zersetzung Knallgasprobe(H2) 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 H2O weißes 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 H2O Cobaltchlorid 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: Nachteile: 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