A Eine kleine Weltreise

Transkript

1 DECHEMAX-Schülerwettbewerb 2010/2011 MUSTERLÖSUNGEN Nachdem wir in Runde eins virtuell auf die Reise um die ganze Welt gegangen sind, wollen wir auch bei unseren Versuchen ein wenig auf die Reise gehen. Allerdings nicht allzu weit stellt euch einfach vor, eine Schüssel voller Wasser wäre der Atlantik... Bitte beachtet, dass es sich eben NUR um eine MUSTERlösung handelt. Davon abweichende Lösungen müssen deshalb nicht unbedingt falsch sein. A Eine kleine Weltreise 1. Papierboot mit Spüliantrieb Zunächst müsst ihr ein kleines Papierboot basteln. Dieses wird in eine Schüssel mit Wasser gesetzt. Unmittelbar hinter das Boot wird ein Tropfen Spülmittel in das Wasser gegeben. 1-1: Was beobachtet ihr? Erklärt eure Beobachtung. Die schicke Antwort: Das Papierboot wird nach Zugabe von einem Tropfen Spülmittel in Richtung von der Eintropfstelle weg vorangetrieben. Das Spülmittel enthält Tenside, die eine hydrophobe und hydrophile Seite besitzen. Diese ordnen sich auf der Wasseroberfläche in einer Monoschicht so an, dass der hydrophile Teil in die wässrige Phase und der hydrophobe Teil in die Gasphase (Luft) zeigen. Dadurch wird das Boot nach vorne gedrückt. Das Boot kann nur so lange nach vorne gedrückt werden, bis die gesamte Wasseroberfläche mit Tensiden belegt ist. die gängige Antwort Seifenlösungen oder Spülmittel enthalten Tenside, die die Oberflächenspannung des Wassers herabsetzen. Das tun sie zunächst auf der einen Seite des Bootes, somit ist das Kräftegleichgewicht um das Boot herum einseitig gestört, so dass sich das Boot in eine Richtung fortbewegt. In wenigen Augenblicken ist die gesamte Wasseroberfläche gleichermaßen tensidhaltig. Beide Antworten wurden akzeptiert. 1-2: Ist es möglich, das Boot beliebig lange fahren zu lassen, wenn immer weiter Spülmittel zugegeben wird? Da ein kleiner Tropfen der Tenside ausreicht, eine relativ große Fläche zu bedecken, funktioniert das Experiment kein zweites Mal. 2. Verschollen im Bermudadreieck Legt den Kronkorken so in eine Schüssel mit Wasser, dass er wie ein Schiff schwimmt. Mit 2 bis 3 Strohhalmen bläst man Luft direkt unter dem Boot in das Wasser. Fragen: 2-1: Warum versinkt das intakte unbeschädigte Boot im sprudelnden Wasser?

2 Der Kronkorken schwimmt nach dem archimedischen Prinzip (Auftriebskraft ist größer als die Gewichtskraft) auf der Wasseroberfläche. Sobald Luft unterhalb des Bootes eingeleitet wird, verringert sich die Dichte des Wassers (bzw. des Luft-Wasser-Gemisches) an dieser Stelle. Dadurch ist die Gewichtskraft des Kronkorkens größer als die Auftriebskraft des Luft-Wasser-Gemisches, sodass der Kronkorken untergeht. Tatsächlich gibt es Spekulationen darüber, ob auf diese Weise Schiffe verunglückt sind, die man auf mysteriöse Weise verschollen glaubte. Im Bermudadreieck lagern Methanhydrate auf dem Meeresboden. Durch mechanische Störungen (z.b. Seebeben) können sich die Methanhydrate vom Meeresboden lösen. Beim Aufsteigen zersetzen sie sich in Methangas und Wasser. Das aufsteigende Methan wirkt an der Wasseroberfläche wie die eingeleitete Luft im Experiment. Dies könnte eine Erklärung für das Verschwinden von Booten im Bermudadreieck sein. 2-2: Wie müsste ein Boot konstruiert sein, damit es auch unter diesen Bedingungen schwimmt? Ein solches Boot müsste erheblich leichter sein, so dass das verdrängte Volumen kleiner als das Volumen des Bootes ist. Das Boot sollte abgeschlossene Hohlräume (z.b. U-Boot) besitzen, damit es, selbst wenn es untergeht oder Wasser eindringt, wieder aufsteigen kann. 2-3: Warum ist zum Beispiel der Plastikverschluss einer PET-Flasche im Gegensatz zum Kronkorken nicht für diesen Versuch geeignet? Der Plastikverschluss einer PET-Flasche besteht meist aus Polypropylen (PP). Dieses hat eine geringere Dichte als Wasser, wodurch der Deckel praktisch nicht sinken kann. Selbst wenn dieser vollständig mit Wasser gefüllt ist, ist die mittlere Dichte geringer als die des Wassers. Aus diesem Grund taucht er wieder auf, auch wenn man den Deckel unter Wasser drückt. 3. Wie Kolumbus nach Amerika kam. Stellt eine gesättigte Salzlösung her und färbt diese anschließend mit Tinte (spart nicht an der Tinte, die Lösung sollte ordentlich dunkel sein). In ein Glas wird Wasser eingefüllt. Das gefärbte Salzasser wird vorsichtig von der Seite dazugeschüttet. 3-1 Beschreibt, wie ihr die gesättigte Lösung hergestellt habt. Eine Lösung ist dann mit Kochsalz gesättigt, wenn in ihr so viel Kochsalz gelöst ist, dass einfach nicht mehr Salz gelöst werden kann. Überschüssiges Salz wird sich deshalb einfach am Boden des Gefäßes absetzen. Man braucht also einfach immer weiter Salz zuzugeben und so lange zu rühren, bis man nicht mehr alles lösen kann. Die Salzlösung kann dann einfach abdekantiert werden. 3-2 Wo fließt stark salzhaltiges Wasser lang? Wird das salzhaltige Wasser vorsichtig zu Süßwasser geschüttet, sinkt das Salzwasser aufgrund seiner höheren Dichte zum Boden. Dies kann durch vorheriges Einfärben einer der beiden Flüssigkeiten sichtbar gemacht werden.

3 Nehmt etwas Wasser (etwa soviel, wie man zur Herstellung eines Eiswürfels benötigt) und färbt dieses mit Tinte ein. Stellt das gefärbte Wasser ins Gefrierfach. Füllt ein (hohes) Glas mit Wasser und legt den farbigen Eisblock hinein. 3-3 Was könnt ihr beobachten? Der gefärbte Eiswürfel schwimmt zunächst auf der Wasseroberfläche. Eis hat eine geringere Dichte als Wasser bei Raumtemperatur. Beim Schmelzen des Eiswürfels bilden sich farbige Schlieren, die nach unten sinken. Dies ist dadurch zu erklären, dass kaltes Wasser eine größere Dichte als warmes hat (Bei 4 C besitzt Wasser seine höchste Dichte Dichteanomalie des Wassers ). Nach längerer Zeit erhält man durch Diffusion eine vollständig gefärbte Lösung, d.h. wir erhalten eine einheitliche Temperatur- und Dichteverteilung. 3-4 Was haben diese Beobachtungen mit den Meeresströmungen zu tun? Kaltes und salziges Wasser sinkt nach unten. Wir haben modellhaft die thermohaline Zirkulation der Erde nachgestellt. In der Nähe der Pole gefriert Wasser. Da das im Meerwasser enthaltene Salz nicht mit gefriert, bleibt es im umliegenden Wasser zurück und erhöht damit dessen Salzgehalt. Das kalte, salzhaltige Wasser sinkt auf den Meeresgrund, wodurch an der Oberfläche Wasser aus wärmeren Gebieten nachströmt. Das warme Wasser kühlt sich erneut an den Polen ab, das kalte salzhaltige fließt am Meeresgrund auf Grund des Konzentrationsgefälles Richtung Süden und erwärmt sich dort. Auf diese Weise entstehen Meeresströmungen, die einst sogar für die Seefahrt wichtig waren. Heute kennt man vor allem den Golfstrom, der so heißt, weil das Wasser, das zum Nordpol strömt und dort absinkt, aus dem Golf von Mexiko stammt. Das warme Wasser aus dem Golf von Mexiko bewirkt, dass es für unsere Breiten in Westeuropa recht warm ist.

4 B Sauberes Wasser - Wir bauen ein Klärwerk Sauberes (Trink)wasser das habt ihr sicher in Runde eins gelernt - ist in vielen Gegenden der Welt Mangelware. Und die Leistungen eines Klärwerkes kann man man gar nicht zu hoch schätzen. Wenn man bedenkt, was auf der einen Seite hineingeht und auf der anderen wieder herauskommt... Natürlich sind die Vorgänge in einem Klärwerk in der Gesamtheit viel zu kompliziert und technisch zu aufwendig, um sie im Versuch nachbauen zu können, aber ein paar Klärstufen, bzw. einfach Möglichkeiten zur Wasseraufbereitung wollen wir uns doch einmal genauer ansehen. 1. Herstellung der Eisenlösung Zunächst stellt ihr eine Eisenlösung her, die ihr für einen der folgenden Versuche benötigt: BEACHTET: Es riecht ziemlich unangenehm, wenn ihr die Mischung erwärmt. Achtet also darauf, dass Küche oder Labor gut gelüftet sind! Ein nicht hitzebeständiges Glas springt leicht, wenn ihr zu stark erwärmt. Dazu bedeckt ihr den Boden eines Glases (oder einer Tasse) mit Eisenpulver, welches ihr durch das Abfeilen des Nagels gewinnt (bei verzinkten Nägeln müsst ihr etwas tiefer feilen, um an den wichtigen Eisenkern zu gelangen). Danach fügt ihr ca. 50 ml Essigessenz (etwa 10 Teelöffel) hinzu und erwärmt, bis sich deutlich sichtbar Gasblasen entwickeln. Jetzt lasst ihr das Eisenpulver noch einige Zeit ohne Erwärmung reagieren, bis sich die Gasbildung verringert. 1-1 Welche Reaktionen finden statt? Formuliert die Reaktionsgleichungen. Eisen wird in der sauren Lösung zunächst unter Wasserstoffbildung zu Eisen(II)-Ionen oxidiert: Fe + 2 H + Fe 2+ + H 2 Wenn die Lösung eine Weile an der Luft steht, erfolgt langsam die Oxidation zu Eisen(III)- Ionen. 4 Fe 2+ + O H + 4 Fe H 2 O 1-2 Um welches Gas handelt es sich? Es handelt sich demnach um Wasserstoff.(Dieser könnte z.b. mit einer Knallgasprobe nachgewiesen werden.) Ist die Gasbildung abgeklungen, filtriert ihr die Lösung mittels eines Kaffeefilters in ein weiteres Glas (am besten 0,2 Liter), rührt ein paarmal um und lasst es abgedeckt ein bis zwei Tage stehen, so dass sich eine rötliche Lösung bildet. Fertig ist die Eisenlösung.

5 2. Porentief rein Unser schmutziges Wasser für dieses Experiment stellen wir wie folgt her: Tropft dazu ein oder zwei Tropfen Tinte in ein Wasserglas. So blau wirkt es gleich viel weniger appetitlich. Wie bekommen wir es also wieder klar? Gebt ein bis zwei Kohletabletten ins Glas und rührt so lange, bis sich die Tabletten aufgelöst haben. Steckt die beiden Filterpapiere nacheinander in den Kaffeefilter und gießt das schwarz gefärbte Wasser vorsichtig in die Filterpapiere. Wiederholt diesen Vorgang eventuell noch ein- oder zweimal. 2-1 Wie sieht das Wasser aus, wenn es unten aus dem Filter läuft? Das Filtrat ist leicht gefärbt bis farblos. 2-2 Was passiert, wenn Ihr den Versuch ohne die Kohletabletten macht? Wenn die farbige Flüssigkeit ohne Zugabe von Aktivkohle durch den Filter fließt, ist das Filtrat weiterhin farbig. 2-3 Erklärt eure Beobachtungen: Die Aktivkohle ist sehr porös, d.h. die Kohleteilchen haben eine ganz große, zerklüftete Oberfläche (ca m² pro g) mit vielen Hohlräumen. In den Hohlräumen / an der Oberfläche lagert sich die Tinte an und wird dort festgehalten (Adsorption). Durch das Filtrieren wird die Aktivkohle mit den adsorbierten Farbmolekülen zurückgehalten und die klare Flüssigkeit fließt durch den Filter. 3. Öl aus Wasser abtrennen. Nicht nur auf dem Meer nach einer Ölpest schwimmt Öl auch in einer Kläranlage kommt jede Menge davon an. Wie wir in der ersten Runde gelernt haben, können Bakterien Öl abbauen, allerdings ist die effektivste Methode zunächst das mechanische Entfernen, in

6 der Kläranlage mit Hilfe sogenannter Ölabscheider. Dabei wird der Effekt ausgenutzt, dass Öl auf Wasser schwimmt. Vereinfacht gesagt, werden durch geschickte Konstruktionen Öl und Wasser über verschieden Abflüsse in unterschiedlicher Höhe voneinander getrennt. Eine andere Möglichkeit, die großtechnisch zwar keine Anwendung findet, aber zumindest bei der Ölkatastrophe im Golf von Mexiko diskutiert wurde, ist diese: Füllt eine Schüssel etwa zur Hälfte mit Wasser. Dann gießt einen ordentlichen Schluck Öl darauf. Nehmt dann euer Heu oder Stroh und gebt es mit in die Schüssel. Durchmischt das Ganze ordentlich und nehmt anschließend das Heu/Stroh wieder heraus. Eventuell könnt ihr die Heuwaschung noch ein oder zweimal wiederholen. 3-1 Was beobachtet ihr? Durch Zugabe von Heu/Stroh kann das Öl zum größten Teil aus dem Wasser-Öl-Gemisch entfernt werden. Zurück bleibt mehr oder weniger sauberes Wasser. 3-2 Wie könnt ihr das erklären? Öl und Wasser mischen sich bekanntlich nicht. Das Öl möchte also dem Wasser möglichst ausweichen und sucht sich eine Umgebung, die so wie es selbst- nicht polar ist. Heu und Stroh (allgemein Pflanzen) haben eine äußere Wachsschicht, die Cuticula genannt wird. Diese ist genauso wie das Öl unpolar, sodass das Öl am Heu/Stroh adsorbiert wird und dadurch aus dem Wasser-Öl-Gemisch leicht entfernt werden kann. 4. Ausfällung Bisher haben wir uns weitgehend mechanischer Methoden bedient, um unser Wasser zu reinigen. Manche Dinge lassen sich aber nicht mechanisch entfernen, zum Beispiel im Wasser gelöste unerwünschte Ionen. Ein solches ist das Phosphat. Heute ist es nicht mehr ganz so problematisch, da es aus Waschmitteln, wo es früher Standard war, weitestgehend verbannt wurde, aber zum Beispiel durch die Düngung in der Landwirtschaft kommt immer noch viel Phosphat ins Wasser. 4-1 Weshalb war früher Phosphat im Waschmittel? Phosphat diente früher zur Enthärtung des Wassers. Ca 2+ - und Mg 2+ -Ionen, die die Wasserhärte verursachen wurden durch Phosphate maskiert, d.h. sie bildeten mit den Phosphaten wasserlösliche Komplexe, so dass die Kalkbildung verhindert wurde. 4-2 Was wird heute stattdessen verwendet? Heute werden statt Phosphaten Zeolithe, NTA, EDTA und Zitronensäure verwendet. 4-3 Warum sollte Phosphat nicht in zu großen Mengen in die Umwelt gelangen?

7 Die Phosphate wurden in Flüsse und Seen gespült. Dort fördern sie das Algenwachstum und führen letztlich zur Überdüngung (Eutrophierung) und letzlich zum Umkippen der Gewässer. Um Phosphat zu entfernen, kann man es ausfällen. Man bedient sich also chemischer Methoden. Da ihr aus oben genannten Gründen höchstwahrscheinlich kein Glück dabei haben werdet, einen phosphathaltigen Reiniger zu finden, verwenden wir für unseren Versuch Cola, das Phosphorsäure enthält. Nehmt einige Milliliter eurer eingangs hergestellten Eisenlösung und gebt zunächst tropfenweise Cola hinzu, wenn ihr nichts beobachten könnt, auch etwas mehr. Wartet dabei immer ein bisschen die Reaktion kann etwas verzögert eintreten. 4-4 Was beobachtet Ihr? Durch Zugabe von Eisen(III)-Ionen bildet sich ein schwerlöslicher Niederschlag. 4-5 Worum handelt es sich bei diesem Niederschlag? Es handelt sich um Eisenphosphat. Fe 3+ + PO 4 3- FePO 4 Dieses ist eigentlich weiß, durch die braun gefärbte Cola hat allerdings auch der Niederschlag ein gelbbraunes Aussehen. Dafür ist die Lösung nun deutlich heller. ACHTUNG: wenn eure Lösung nicht sauer genug ist kann es sich leicht um Eisenhydroxid handeln, das aus der Lösung ausgefallen ist. Und noch eine Anmerkung hierzu: Einige Teams haben bei uns angefragt, ob das denn wirklich funktionieren kann! Viele tolle Fotos von euch haben bewiesen, dass es geht. Aber auch wir wissen, dass es nicht einfach war, Eisenphosphat zu fällen (bei uns hat s auch nicht beim ersten Mal geklappt). Außerdem wissen wir, dass auch im Labor Theorie und Praxis manchmal zwei verschiedene Dinge sind. Wenn ihr also keinen Niederschlag bekommen habt, uns aber geschrieben habt, was hätte passieren müssen und ein wenig überlegt habt, warum es wohl dann doch nicht so war, dann hat uns diese Antwort genauso glücklich gemacht!

8 5. Die Klärstufen Nachdem ihr nun einige einzelne Schritte unternommen habt, um zu sauberem Wasser zu gelangen, versucht doch einmal, alles zusammenzukippen und mit den jeweiligen Methoden am Ende wieder zu sauberem Wasser (Cola) zu gelangen. In welcher Reihenfolge arbeitet ihr dabei wohl am besten? Welche Verunreinigungen könnt ihr vielleicht noch mit einfachen Mitteln aus dem Wasser entfernen? Kreativität ist gefragt! Ist diese Methode auch geeignet, um schmutziges Wasser aus einer Pfütze oder einem Tümpel zu reinigen? Probiert es aus! Hier gab es so eine Fülle von Möglichkeiten und es wurde uns auch eine Fülle von Lösungen angeboten, dass ihr uns hoffentlich nachseht, wenn wir dazu keine extra Musterlösung präsentieren. Und noch eine Anmerkung: eine besonders wichtige Sache in einer Kläranlage haben wir hier natürlich völlig außer Acht gelassen, nämlich die biologische Klärstufe. Alle fleißigen beteiligten Bakterien mögen es uns verzeihen, aber dies in einem Schülerversuch nachzustellen, ist sicherlich nicht ganz einfach. Vielen Dank an die kjvis - kreative junge Verfahrens-Ingenieure, die wie in den letzten Jahren mit uns zusammen diese Versuche erarbeitet haben.