1. Experimentalvortrag„Lebensquell Wasser“ Referentin: Anne Wehner 10.05.07

2. Inhalt • Wasser – ohne geht nichts • Wasser unter der Lupe • Wasser und Eis • Rund ums Trinkwasser • Wasserhärte • Wassersynthese • Qualitativer Wassernachweis • Mangelware: Wasser • Schulbezug

3. 1. Wasser – ohne geht nichts Die wichtigste Substanz der Welt • klare, geschmacks- und geruchslose, farblose Flüssigkeit • hohe Lichtdurchlässigkeit • bedeckt 70% unserer Erde (97% Salz- und 3% Süßwasser) • flüssig bei 0°C bis 100°C

4. Wasser – ohne geht nichts Experiment 1: Tanzender Wassertropfen • Erklärung: • Wasser siedet bei 100 °C und geht dabei in Wasserdampf über. • Wassertropfen auf Herdplatte (> 100 °C)  Sieden an Berührungszone • Dampf hebt Tropfen hoch • Tropfen fährt wie Luftkissenboot auf Herdplatte herum - angetrieben vom Dampf • Dampf entweicht  Tropfen sinkt wieder ab • Tropfen bildet wieder etwas Dampf und hebt sich wieder - und so weiter.

5. Wasser – ohne geht nichts • Bestandteil aller Lebewesen (Mensch: 75%; Qualle: 99%) • guter Wärmespeicher (Bsp.: Bodensee - Zitrusfrüchte Insel Mainau, • Treibhausgas – erhöht in Atm. (5 Vol-%) Temp. von –18 auf 15°C) • gutes Lösungsmittel für Flüssigkeiten, Gase und Feststoffe • (z.B.: Salze für Nährstofftransport, Sauerstoff für Atmung von Fischen)

6. Wasser – ohne geht nichts Experiment 2: In Wasser löst sich Luft Info Fische benötigen zum Leben Luft In 100 mL Wasser lösen sich bei 0 °C 4,91 ml, bei 20 °C 3,11 mL Sauerstoff bzw. Luft. je höher die Temperatur, um so weniger Sauerstoff löst sich  Im Sommer sterben oft Fische an Sauerstoffmangel Sauerstoff: Bildung von Wasserpflanzen und Algen Lösen aus Luft an Wasseroberfläche Versuchsaufbau

7. Wasser – ohne geht nichts • Wasser liefert Sauerstoff für Pflanzen und Bakterien bei Photosynthese • natürliche Umwelt: Verteilungs- und Transportmittel

8. Wasser – ohne geht nichts Demonstration 1: Pflanzenfärben Was ist passiert? Blumen verfärben sich  mit Wasser haben sie auch Farbpartikel durch Stengel aufgesogen Deutung: Pflanzen brauchen Wasser zum Leben, z.B. für Photosynthese Wasser ist Transportmittel für wichtige Nährstoffe Versuchsaufbau

9. Wasser – ohne geht nichts Experiment 3: Leitet Wasser den Strom? Ergebnis:- reines Wasser leitet elektrischen Strom nicht - minimale Mengen von gelöstem Salz machen es leitend

10. Wasser – ohne geht nichts Alltagsbezug: Mensch: Salz in unserem Körper wichtig für Funktion von Nerven und Muskeln – Nerven = elektrischer Leiter, Blut = Salzlösung  elektrische Ströme und Spannungsschwankungen Körperschweiß, Leitungswasser = Salzlösung  Achtung! Mit Netzspannung betriebe elektrische Geräte (Fön, Radio, Lampen usw.) niemals in Nähe von offenem Wasser (Badewanne, Dusche, Waschbecken) Fische (z.B. Zitteraal, Zitterrochen): Aufbau von elektrischer Spannung in Nerven und Muskeln  Verjagung von Feinden und Beutefang mit elektrischen Stromschlägen Zitterrochen (oben) und Zitteraal (rechts)

11. Wasser – ohne geht nichts • Im Wasser laufen ständig Säure/Base- Reaktionen ab • Beispiele für chemische Reaktionen mit Wasser als Reaktionspartner: • Photosynthese:  6CO2 + 6H2O  C6H12O6 + 6O2 • Auflösen von Kalk:   CaCO3 + CO2 + H2O  Ca (HCO3)2 • Saurer Regen:      SO2 + 2H2O  H3O+ + (HSO3)- • Bildung von Mineralwasser: CO2 + 2H2O  H3O+  + (HCO3)-

12. Wasser – ohne geht nichts Experiment 4: Brausepulver Zitronensäure hat 3 COOH-Gruppen  Bildung von 3 H3O+- Ionen: H3O+- Ionen reagieren mit HCO3– Ionen des Soda unter Bildung von CO2  und H2O: H3O+  +    HCO3-H2O  +  CO2  (Schaum) Bildung von Kohlensäure: H2O + CO2 H2CO3 Gesamtreaktion: NaHCO3 + C6H8O7 → NaC6H7O7+ H2O + CO2 Kälte Wärme

13. Wasser – ohne geht nichts Wasser hat viele Gesichter Einzige Substanz, die in allen drei Aggregatzuständen vorkommt

14. Wasser – ohne geht nichts Experiment 5: Gasförmiges Wasser Erklärung: Austritt von Wasserdampf  Luft verdrängt und durch Wasserdampf von 100° C ersetzt Kontakt mit kaltem Wasser  Kondensation Wasserdampf  Bildung Unterdruck  Implodierung der Dose Da das Wasser eine träge Masse darstellt, wird es nur untergeordnet in die Dose eingesogen Alltag: Wechselspiel von überhitztem Wasser und Wasserdampf ist Funktionsprinzip eines Geysirs. Geysir

15. Wasser – ohne geht nichts • Wasserkreislauf • durch Verdunstung (haupts. Meeresoberfläche) gelangt Wasser als Luftfeuchtigkeit in Atmosphäre • Warme, feuchtigkeitstragende Luft steigt auf, kühlt ab und kondensiert • Wolkenbildung  Niederschlag in Form von Regen oder Schnee (Süßwasser) • Verdunstung oder Versickerung im Boden  Anreicherung mit Salzen • versickertes Wasser gelangt über pflanzliche Transpiration in Erdatmosphäre oder dient zur Grundwasserbildung • Niederschlag gelangt über Grundwasserstrom, Bäche und Flüsse wieder in die Meere

16. 2. Wasser unter der Lupe • besteht aus zwei Atomen Wasserstoff und einem Atom Sauerstoff • Abkürzung: H2O • Atome in Dreiecksform angeordnet – Winkel 104,5° • Teilladung: Sauerstoff (O) negativ, Wasserstoff (H) positiv  Dipol • Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen Wassermolekül Wasserstoffbrückenbindung

17. Wasser unter der Lupe Oberflächenspannung des Wassers • Wasserinnere: Wirken von Anziehungskräften zwischen Molekülen aus allen Richtungen insgesamt Addition zu Null • Wasseroberfläche: keine Anziehungskräfte nach oben  gerichtete Kraft ins Innere; Grenzfläche Wasser – Luft vergleichbar mit dünner, elastischer Haut

18. Wasser unter der Lupe Experiment 6: Oberflächenspannung • Experiment 6 a) • Beobachtung: Es läuft kein Wasser heraus. • Erklärung: • Wasser hat eine hohe Oberflächenspannung und zieht die Karte an sich • Luftdruck ist größer als das Gewicht des Wassers  Luft drückt somit von unten gegen die Karte und hält sie am Glas fest.

19. Wasser unter der Lupe Experiment 6 b) Beobachtung: feingewebte Stoffe halten Wassertropfen zurück Darauf beruht zum Beispiel die wasserabweisende Wirkung von Zeltstoff Alltagsbezug: Wasserläufer: Nutzer der Oberflächenspannung des Wassers in der Natur  kann ohne Mühe auf dem Wasser laufen, ohne unterzugehen Wasserläufer

20. Die vier "alten Elemente" (Quelle: Cornelsen) Wasser unter der Lupe Etwas Geschichte: Wasser – Element oder Verbindung? • 600 v.u.Z.: wurde in China als Element angesehen, Unterscheidung von Elementen Wasser, Feuer, Holz, Metall, Erde • 624-544 v.u.Z.: griech. Philosoph Thales – wichtigster Grundstoff; „Prinzip aller Dinge, aus dem alles ist und zu dem alles zurückkehrt“ • 484-430 v.u.Z.: Empedokles – erkannte Feuer (= Energie), Wasser (= Flüss.), Luft (= Gas)und Erde (= Feststoff) als „Elemente“ an

21. Wasser unter der Lupe • 427-347 v.u.Z.: Plato – kleine, regelmäßig geformte Teilchen; ordnete den Elementen bestimmte reguläre Vielecke („platonische Körper“) zu: • Feuer = Tetraeder • Erde = Würfel • Luft = Oktaeder • Wasser = Ikosaeder • 1784: Brit. Naturforscher Henry Cavendish (1731-1810) erkennt Zusammensetzung des Wassers aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom  Wasser kein Element, sondern Verbindung

22. 3. Wasser und Eis • größte Dichte und geringstes Volumen des Wassers liegt bei 4°C • Gewichtsvergleich: 1 Liter Wasser bei 4°C  1kg • 1 Liter Eis  917g • Wassermoleküle in Eiskristall weit gepackt, starre Ordnung (vs. • Schmelze: dichte Lagerung, Moleküle beweglich) • Struktureinheit Eis: OH4-Tetraeder Eis Wasser

23. Wasser und Eis • Wasser dehnt sich beim Gefrieren um etwa 9% aus  Druckausübung • Bsp.: Platzen von Wasserflasche in Gefriertruhe • Bersten von Wasserrohren im Winter • Experiment: Eis sprengt Glas • Eis schmilzt unter Druck • Bsp.: Schlittschuh- und Skiläufer • Experiment: Eiswürfel

24. Wasser und Eis Experiment 7: Eis sprengt Glas Kältemischung: ca. ¼ Kochsalz und ¾ fein zerstoßenes Eis  bis -21°C Warum?  Schmelztemperaturen von Gemischen liegen meist niedriger als die der Reinstoffe (Alltag: Salzstreuung auf vereiste Straßen) Vorgang: Salz geht in Lösung  Eis muss anteilig flüssig werden  Benötigung von Wärme Da keine Wärme von außen zugefügt wird, holt sich Gemisch die "Wärme" aus dem Eis selbst  Abkühlung. Versuchsaufbau

25. Wasser und Eis • Wasser dehnt sich beim Gefrieren um etwa 9% aus  Druckausübung • Bsp.: Platzen von Wasserflasche in Gefriertruhe • Bersten von Waserrohren im Winter • Experiment: Eis sprengt Glas • Eis schmilzt unter Druck • Bsp.: Schlittschuh- und Skiläufer • Experiment: Eiswürfel

26. Wasser und Eis Demonstration 2: Eiswürfel Erklärung:Eis verhält sich plastisch bei Druckausübung Beim Gefrieren dehnt sich Wasser um etwa 1/10 aus. Wenn man Eis also presst, schmilzt es Alltag: Schlittschuh- oder Skifahren  Druckausübung auf Eis  Entstehung Flüssigkeitsfilm  Rutschen

27. Wasser und Eis Dichteanomalie des Wassers am Beispiel „See“ • Winter: See gefriert von oben nach unten – jedoch nie bis zum Grund • Eisdecke schwimmt aufgrund geringerer Dichte an Wasseroberfläche •  Kälteschutz, lichtdurchlässig (günstig für Photosynthese) •  Wassertiere und Wasserpflanzen können in tieferen „wärmeren“ Schichten überleben • Unter Eisdecke steigt Temp. bis 4°C an (keine T- Veränderung mehr, • da durch großen Eigendruck Minimalvolumen erreicht)

28. Wasser und Eis Demonstration 3: Dichte Eisberg Modell Eisberg Beobachtung: Eis schwimmt auf Wasser, beim Schmelzen keine Veränderung des Wasserspiegels Erklärung: Eis besitzt geringere Dichte als Wasser

29. 4. Rund ums Trinkwasser • Wieviel Wasser braucht der Mensch? • Mensch kann max. 4 Tage ohne Wasser überleben • Wasserverlust: 10%  Mangelerscheinungen, 20%  eventuell Tod • Wasseraufnahme pro Tag: Jugendlicher (50 kg)  2 – 2,5 L • Erwachsener (75 kg)  2,6 – 3,4 L

30. Rund ums Trinkwasser • Ohne Wasser kein Leben • Körper besteht zu ca. 2/3 aus Wasser • wichtiges Transport- und Lösemittel für Menschen • verdünnt Magensäure • spaltet und transportiert Salze im Körper • löst Hormone, Proteine, Vitamine und Zuckermoleküle • Versorgung von Geweben und Zellen mit Nährstoffen • und Sauerstoff • Körper erzeugt durch Oxidation von Zucker, Proteinen • und Fett eigenes destilliertes Wasser • reguliert Körpertemp.  Verdunstung an Hautoberfläche • Blut: 92% Wasser, Gehirn: 90% Wasser, Muskeln: 75%, • Leber: 69%, Knochen: 22%

31. Rund ums Trinkwasser Unser täglich Wasser ... Wieviel Wasser (ver)braucht der Mensch?  Dtl.: durchschn. 127 L reinstes Trinkwasser pro Tag Hygiene (Duschen und Baden): 46 L/ Tag Toilettenspülung: 34 L/ Tag Wäsche waschen: 12,7 L/ Tag Garten und Auto: 8,9 L/ Tag Geschirrspüler: 7,6 L/ Tag Kochen und Trinken: 5 L/ Tag Sonstiger Verbrauch: 13 L / Tag

32. Rund ums Trinkwasser • Woher kommt unser Trinkwasser? • Oberflächenwasser 26% aus Seen, Talsperren, Flüsse, Uferfiltrat; Wasserwerke entfernen Schadstoffe (Nitrate, Nitrite, Pestizide, Keime, Bakterien) nach Richtlinien der Trinkwasserverordnung; Gesetz: „keimfrei, farblos und geruchlos“ • Grundwasser geeigneter, jedoch auch Entfernung von Verunreinigungen (Eisen, Mangan, Pestizide, Nitrat, Hormone, Antibiotika, chem. Verbindungen aus der Kunststoffindustrie)

33. Rund ums Trinkwasser • Die Aufgabe der Wasserwerke • Aufbereiten des Rohwassers mit technischen Verfahren ( z.B.: Entfernen von Eisen und Mangan durch Oxidation mit Sauerstoff) • Fließen in riesigen Filteranlagen durch Mehrschichtfilter aus Kies, Sand und Blähton • Entfernung der organischen Inhaltsstoffe durch Einleitung von Ozon ( Aufbrechen von langkettigen Kohlenwasserstoffketten) • Abtöten von Krankheitserregern durch Ozon  Wasserwerke müssen 70% weniger Chlor einsetzen • Neutralisierung unerwünschter Geschmacksstoffe durch Aktivkohlefilter • Zusatz von Chlor zur Desinfektion, Ausschluss der Verunreinigung auf dem Weg in die Haushalte

34. Rund ums Trinkwasser • Wasserleitungen unter der Lupe • Menge und Art der Schadstoffe im Wasser sind abhängig von Material der Wasserrohre • Kupferrohre: • in Dtl. 60% • erst bei hoher Konzentration gesundheitsschädlich • Trinkwasserverordnung erlaubt 2 mg Cu / L Wasser • mit der Zeit Bildung einer Schicht aus Kupfercarbonat und anderen • Verbindungen  verhindert weitere Lösung von Cu • in saurem Wasser löst sich besonders viel Cu  sobald pH-Wert unter 7, • sind Kupferrohre verboten

35. Rund ums Trinkwasser • Verzinkte Eisenrohre: • abgestandenes Wasser in Leitung ist trüb und rostrot • Eisen löst sich erst, wenn innere Zinkschicht beschädigt • Beschädigung der Zinkschicht  Lösen von gesundheitsschädlichen • Stoffen (Bsp.: Schwermetall Cadmium) • Grenzwert Cd: 0,005 mg/ L  Anreicherung in Leber und Nierenrinde; • kann zu Nierenversagen führen

36. Rund ums Trinkwasser • Bleirohre: • dürfen in Dtl. seit 1973 nicht mehr eingebaut werden • 10% der Häuser in nördlicher Hälfte Dtl. besitzen noch Bleirohre • Bleiaufnahme  Beinträchtigung der Blutbildung und der • Gehirnentwicklung (vor allem bei Ungeborenen, Säuglingen und • Kleinkindern), Einlagerung in den Knochen bei Erwachsenen • Grenzwert ab 2003: 0,025 mg Pb/ L • Grenzwert ab 2013: 0,01 mg Pb/ L • Was tun? • Wasseranalyse: 20 - 50 Euro

37. Rund ums Trinkwasser • Wasserfilter - Funktionsweise • Wasser wird in Filterpratone gegossen • Wasser sickert durch die Ionenaustauschermasse  Festhalten von Mineralien wie Kalzium, Magnesium, Blei, Kupfer  Enthärtung • Wasser sickert durch Aktivkohle  Entfernung von Chlor und organischen Stoffen • Abgabe von Silber ins Wasser  wirkt als „Bakteriengift“

38. Rund ums Trinkwasser Experiment 8: Feinreinigung durch Aktivkohlefilter Erklärung: Reinigungswirkung der Aktivkohle (besonders vorbehandelte Holzkohle) beruht auf großer Oberfläche (1 g etwa 1000 m² )  Absorption von z.B. Farbstoffteilchen Alltag: Gasmasken haben gekörnte Aktivkohlefüllung Versuchsaufbau

39. Rund ums Trinkwasser Mineralwasser und Co - „eine kleine Warenkunde“ • Marktanteil in Dtl.: 92% • Herkunft: unterirdische, vor Verunreinigung geschützte Wasservorkommen • enthält durch Erd-und Gesteinsschichten aufgenommene Mineralstoffe • (meist über 1g/ L) • Abfüllung muss an Quellort erfolgen • Veränderung der Zusammensetzung verboten, Ausnahme: Befreiung von • Schwefel, Eisen und Mangan sowie Zugabe oder Entzug von Kohlensäure • erlaubt

40. Rund ums Trinkwasser • Marktanteil in Dtl.: 5% • mit Meerwasser oder Mineralstoffen versetztes • Trink- oder Mineralwasser • früher: „künstliches Mineralwasser“, da nach • bestimmten Rezepten komponiert • Befolgung der Mineral-und Tafelwasserverordnung • und der Grenzwerte der Trinkwasserverordnung

41. Rund ums Trinkwasser • Marktanteil in Dtl.: 3% • Sonderfall unter den Mineralwässern • meist hohe Konzentrationen an Mineralstoffen • heilende oder vorbeugende Wirkung • unterliegen Arzneimittelgesetz (amtliche Zulassung nötig)

42. Rund ums Trinkwasser • Herkunft: unterirdische Wasservorkommen • enthält deutlich weniger Mineralstoffe als Mineralwasser • Flasche mit Bezeichnung „Quellwasser“ kann Wasser von verschiedenen • Quellen enthalten

43. 5. Wasserhärte Wasser ist nicht gleich Wasser – es gibt „hartes“ und „weiches“ Wasser • Je härter das Wasser, desto mehr Kalzium- und Magnesiumsalze gelöst • Salze werden aus Gesteinen herausgelöst • Wasserhärte ist von Region zu Region unterschiedlich • Je mehr Regen fällt, desto weicher kann Wasser sein • Wasser nach längerer Trockenheit meist härter, da sich mehr • Mineralstoffe lösen

44. Wasserhärte Demonstration 4: Sind Salze in Wasser gelöst? Untersuchung verschiedener Sorten Wasser nach gelösten Salzen

45. Wasserhärte • Ergebnis: • absolut reines Wasser findet man kaum in Natur • Destilliertes Wasser: in geschlossener • Apparatur aus Wasserdampf kondensiert •  relativ rein • Leitungswasser: enthält fast immer gelöste • Salze  machen Wasserhärte (Salze des • Calciums und des Magnesiums als Chloride, • Sulfate und Hydrogencarbonate) aus

46. Wasserhärte • Waschmittel • Je härter das Wasser, desto mehr Waschmittel wird benötigt • Dosierungsempfehlung auf Packung • Früher: Wasserhärte Problem – Seife reagierte mit Kalzium- und • Magnesiumsalzen zu Kalkseife  unwirksam • Heute: Waschmittel enthalten weniger Seife oder sind seifenfrei

47. Wasserhärte • Waschwirkung • "Gleiches mischt sich mit Gleichem": z.B. Öl mit • Fett, Benzin mit Öl • Stoffe, die sich mit Öl mischen  lipophil • Stoffe, die sich mit Wasser gut mischen  hydrophil • Stoffe, die lipophil und hydrophil sind : z.B. Alkohol, • Seife, Galle in unserem Körper, Tenside in den • Waschmitteln und Schampoos

48. Wasserhärte Experiment 9: Emulsionen • Erklärung: • Öl + Wasser  2-Phasenbildung, keine • Mischung, da hydrophiler und lipophiler Stoff • Öl + Wasser + Seife  milchige Emulsion – • als Tröpfchen fein verteilt schwimmt eine • der beiden Flüssigkeiten in der anderen • Unterscheidung: „Wasser in Öl" ‑ oder "Öl • in Wasser" Emulsionen Öltropfen auf Wasser Alltag: Bildung von Emulsion bei Waschwirkung von Seife und Waschpulver Körper: Verdauung des Speisefetts nur als Emulsion möglich

49. Wasserhärte • Seife: lange, hydrophobe Kohlenwasserstoffkette und polare, hydrophile • Carboxylgruppe (-COO-) • Micellenbildung: Kohlenwasserstoffketten lösen sich in Fetttropfen, polare • Enden ragen nach außen ins Wasser  Umhüllung und Ablösung des • Fetts  Bildung einer Emulsion  Abführung mit frischem Wasser Micellenbildung: Seifenmoleküle an Fetttropfen Ablösung einer Fettverschmutzung von einer Faser

50. Wasserhärte • Seifen auch an Wasseroberfläche  Senkung der Oberflächenspannung •  Verbesserung der Reinigungswirkung des Wassers • hartes Wasser  Calcium- und Magnesiumionen blockieren polare Enden • der Seife und bilden unlösliche Kalkseifen  Vernichtung Waschwirkung • 2 R-COO- + Ca2+ (Kalk) (R-COO)2Ca Seifenmoleküle an Wasseroberfläche