Wasser. Täglicher Wasserbedarf pro Person. Abb. 1 Durchschnittlicher Wasserbedarf pro Person und Tag in Deutschland (Stand 2008), Angaben in Liter [4]

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1 Universität Regensburg Institut für Anorganische Chemie Lehrstuhl Prof. Dr. A. Pfitzner Demonstrationsvorträge im Wintersemester 2014/ Dozentin: Dr. M. Andratschke Referentinnen: Jennifer Meindl, Lena Singerer Wasser 1. Das Wasser der Erde [1, 2, 3] Wegen des hohen Vorkommens von 1,4 x m 3 Wasser wird die Erde auch als Blauer Planet bezeichnet. Das vorhandene Wasser bedeckt 70 % der Erdoberfläche, so müsste unser Planet durch den hohen Anteil an Wasser eigentlich Wasser und nicht Erde heißen. Das Alter des Wassers entspricht dem Alter der Erde. Die verfügbare Wassermenge bleibt unverändert, weil durch Verdunstung und Niederschläge die Vorräte im Gleichgewicht bleiben. 2. Der Wasserbedarf der Menschen [1] Unterschieden wird zwischen einem unmittelbaren und mittelbaren Bedarf. Unter unmittelbarem Bedarf versteht man die Abwehr von Seuchengefahren durch die Nutzung von Wasser zur Lebensmittelherstellung (3 L/d), zum Waschen und für die körperliche Hygiene. So ergibt sich eine Wassermenge von 20 L/d, die für die Mindestversorgung einer Person verbraucht wird (festgehalten im Menschenrecht auf Wasser, 2002). Die Angaben zum Wasserbedarf eines Haushaltes schwanken von 50 bis 600 L/d, je nach Vorhandensein des Wassers und den jeweiligen Gewohnheiten der Menschen. Zudem ist beim unmittelbaren Bedarf der Verbrauch von Wasser für die Pflege der Umwelt (Landschaftswasser) beinhaltet. In Abb. 1 wird der unmittelbare Wasserbedarf pro Person und Tag in Deutschland dargestellt. Als mittelbarer Bedarf hingegen wird der Wasserbedarf für Industrie, Bergbau und Kraftwerke bezeichnet. Hierunter fällt auch der Wasserbedarf des landwirtschaftlichen Sektors. Wegen der zunehmenden Nutzung ist es wichtig, mit dieser Ressource nachhaltig umzugehen und den täglichen Bedarf so weit wie möglich zu senken. Täglicher Wasserbedarf pro Person Trinken und Kochen Waschen Körperpflege Putzen Geschirr spülen Duschen Toilettenspülung Abb. 1 Durchschnittlicher Wasserbedarf pro Person und Tag in Deutschland (Stand 2008), Angaben in Liter [4] 1

2 3. Chemie des Wassers 3.1. Struktur des Wassermoleküls [1, 3] In Abb. 2 wird die Struktur eines Wassermoleküls dargestellt. Ein Wassermolekül besteht aus einem Sauerstoff- und zwei Wasserstoffatomen. Diese sind über kovalente Bindungen miteinander verknüpft, wobei der Bindungsabstand 96 pm und der Winkel der H-O-H-Bindung 104,45 beträgt. Am Sauerstoffatom befinden sich zwei freie Elektronenpaare. Durch die ungleiche Verteilung der bindenden Elektronen im Molekül entstehen Partialladungen, die auf eine Elektronegativität zurückzuführen sind. Sauerstoff weist eine höhere Elektronegativität als Wasserstoff auf und erhält deshalb eine negative Partialladung. Die positive Partialladung des Wasserstoffs ist demnach jeweils halb so groß, wie die negative Partialladung des Sauerstoffs. Aus dem gewinkelten Bau resultiert ein elektrischer Dipol, da die Ladungsschwerpunkte nicht zusammen fallen. Abb. 2 Struktur des Wassermoleküls [5] 3.2. Herstellung von Wasser [1] Nach dem Satz von Avogadro besitzen gleiche Volumina verschiedener Gase unter gleichen Bedingungen gleich viele Teilchen. Demzufolge reagieren zwei Moleküle Wasserstoff mit einem Molekül Sauerstoff zu zwei Molekülen Wasser. 2 H 2 (g) + O 2 (g) 2 H 2 O (l) 3.3. Eigenschaften des Wassers [3] - Gutes Lösungsmittel - Höhere Oberflächenspannung als übrige Flüssigkeiten - Dichtemaximum als Flüssigkeit (bei 4 C) - Hohe Verdampfungswärme - Hohe Schmelzwärme - Hohe Wärmekapazität (nur von Ammoniak NH 3 übertroffen) - Hohe Bildungswärme 2

3 4. Versuche Was schwimmt Was sinkt? [6, 7] große durchsichtige Glasschale Wasser Tiegelzange Stein, Korken, Styropor, Murmel, Münze, Kerze, Apfel, Nagel Die Glasschale wird bis zur Hälfte mit Wasser gefüllt. Danach wird vorsichtig und nacheinander mit Hilfe der Tiegelzange jeder Gegenstand auf die Wasseroberfläche gelegt. Stein, Murmel, Münze und Nagel Diese Gegenstände sinken auf den Boden. Korken, Styropor, Kerze und Apfel Diese Gegenstände schwimmen auf der Wasseroberfläche. Gegenstände, die eine höhere Dichte als Wasser aufweisen, sinken auf den Boden der Glasschale. Haben die Materialien jedoch eine geringere Dichte als Wasser, schwimmen sie auf der Oberfläche. Was löst sich in Wasser? [8, 9] Zucker, Öl, Mehl, Sand, Salz 5x 250 ml Bechergläser 5x Teelöffel Die Bechergläser werden bis zur Hälfte mit Wasser gefüllt. Danach wird in jedes Glas jeweils ein Versuchsstoff ins Wasser gegeben und umgerührt. Zucker und Salz lösen sich in Wasser. Die anderen Stoffe (Mehl, Sand und Öl) sind in Wasser unlöslich. Wenn sich Zucker und Salz in Wasser lösen, bedeutet das nicht, dass sie verschwinden. Die Zucker- bzw. Salzteilchen sind nur so klein geworden, dass sie nicht mehr sichtbar sind. Die Wasserteilchen haben sich hier an die einzelnen Zucker- bzw. Salzteilchen angelagert und sie so aus ihrem bestehenden Gerüst herausgelöst. So entsteht eine Zucker- bzw. Salzlösung. Bei Mehl, Sand und Öl können sich die Wasserteilchen zwar annähern, es gelingt ihnen aber nicht, die einzelnen Teilchen aus ihrer Verbindung zu lösen. 3

4 Wasserreinigung [10, 11] große durchsichtige Glasschale 3 Plastikbecher 250 ml Becherglas Schmutzwasser Nagel Küchensieb Sand feiner Kies Kaffeefilter Mullbinde Zu Beginn wird mit Hilfe des Nagels in jeden Becherboden ein Loch gestochen. Der erste Becher wird mit Kies gefüllt. In den zweiten wird die Mullbinde so in den Becher gelegt, dass das Loch vollständig bedeckt ist. Auf die Mullbinde wird zudem noch Sand geschüttet. Im dritten Becher wird der Kaffeefilter positioniert. Danach wird dieser dritte Becher in die durchsichtige Glasschale gestellt. In diesen Becher wird wiederum der Becher mit der Mullbinde und dem Sand gestellt und an oberster Position wird der Becher mit Kies platziert. Über diesen Turm von Bechern wird das Küchensieb gehalten. Zum Schluss schüttet man das Schmutzwasser durch das Sieb in den obersten Becher. Gießt man das Schmutzwasser durch das Sieb, werden dort schon größere Schmutzteile aufgefangen (Steine, Äste, Blätter). Im Durchlaufen der einzelnen, gestapelten Becher bleiben dann, je nach Porengröße der Filtermaterialien, immer kleinere Schmutzteilchen zurück. Bis letztendlich in der Glasschale das gesäuberte Wasser ankommt. Bei diesem Versuch werden zwei typische Trennverfahren angewandt. Im ersten Schritt wird gesiebt. Durch die kleinen Poren im Sieb kann das Wasser durchlaufen, größere Schmutzteilchen bleiben jedoch zurück. So werden die großen Schmutzteilchen aufgefangen. Im weiteren Verlauf erfolgt die Trennung durch Filtration. Die Mullbinde hat kleinere Poren als das Sieb, der Kaffeefilter weist die kleinsten Poren der verwendeten Filtrationsmaterialien auf. Aus diesem Grund werden nach und nach immer kleinere Schmutzteilchen aus dem Wasser entfernt. Am Ende erhält man klares Wasser. 4

5 5. Lehrplanbezug [12] Das Thema Wasser ist im Lehrplan Plus der Grundschule im Heimat- und Sachunterricht HSU 3/4 Lernbereich 3: Natur und Umwelt im Punkt 3.3 unter Luft, Wasser, Wetter verankert. Die Kinder sollen am Ende der vierten Klasse folgende Kompetenzerwartungen erfüllen Die Schülerinnen und Schüler... formulieren Forschungsfragen und Vermutungen zum Thema Wasser, planen dazu den Einsatz einfacher naturwissenschaftlicher Erkenntnismethoden, führen diese durch und werten die Ergebnisse aus. [12] erklären die Bedeutung von Wasser als natürlicher Lebensgrundlage (lokal und global) und beschreiben die Verwendung von Wasser zur Erzeugung industrieller Produkte. [12] und diese Inhalte zu den Kompetenzen beherrschen: Wasser, seine Eigenschaften und Wirkungen (z. B. Nutzbarkeit als Lösungsmittel, Auftrieb) und seine Zustandsformen [12] Wasserverbrauch (z. B. in privaten Haushalten und bei der Fertigung industrieller Produkte), Wasserverschmutzung (z. B. durch Waschmittel, Lösungsmittel) und Wasserverschwendung (gedankenloser Wasserverbrauch) und deren Bedeutung bei unterschiedlichen klimatischen Bedingungen [12] 6. Quellen-Verzeichnis [1] A. N. Grohmann, M. Jekel, A. Grohmann, R. Szewzyk, U. Szewzyk: Wasser. Chemie, Mikrobiologie und nachhaltige Nutzung, 1. Auflage, De Gruyter, Berlin [u.a.], 2011, S. 2, 12-13, 16, 20, 29-31, 37, 43 [2] H. Fiegel, U. Schwarz: Sachkunde kreativ unterrichten, 1. Auflage, Oldenbourg Schulbuchverlag, München, 1998, S. 54 [3] P. Pfeifer, G. Pfeifer: Unterricht Chemie. Band 2: Wasser, 2. überarbeitete Auflage, Aulis-Verlag Deubner, Köln, 2003, S [4] (Stand: ), Diagramm anhand der Daten aus Wikipedia in Word erstellt [5] (Stand: ) [6] B. Menzel, P. Menzel: Experimentieren in der Grundschule I. Band 146, 1. Auflage, Oldenbourg Schulbuchverlag, München, 2010, S. 16 (modifiziert) [7] (Stand: ) [8] (Stand: ) [9] (Stand: ) [10] (Stand: ) [11] E. Libawski: Naturwissenschaften in der Grundschule, Akademie für Lehrerfortbildung und Personalführung, Dillingen, 2005, S [12] (Stand: ) 5

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