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Experimentalvortrag WASSER

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

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Experimentalvortrag WASSER

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Presentation Transcript

  1. ExperimentalvortragWASSER Julia Blankenhorn Markus Kibel

  2. 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

  3. 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:

  4. 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!

  5. 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  1.600.000.000 km³  Davon nur 0,03 % Trinkwasser (48.000.000 km³)

  6. 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

  7. 2) Das Wassermolekül • Aufbau • Wasser als Dipol • Kräfte

  8. 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 (idealer Winkel 109,5° bei 100°C) • Die Bindungslänge der O-H-Bindungen beträgt jeweils 95,84 Picometer

  9. 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

  10. Versuch • Ablenkung eines Wasserstrahls mit PVC-Stab

  11. 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.

  12. 3.1) Physikalische Eigenschaften • Aggregatzustände • Dichteanomalie • Schmelz -und Siedepunkt • Oberflächenspannung und Kapillarität • Wärmkapazität • Elektrische Leitfähigkeit • Wasser als Lösungsmittel

  13. 3.1) Physikalische EigenschaftenAggregatzustände • Einzig bekannte 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

  14. 3.1) Physikalische EigenschaftenDichteanomalie • 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 • V Eis > V Wasser p Eis < p Wasser • Daher schwimmt Eis auf der Wasseroberfläche.

  15. 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

  16. 3.1) Physikalische EigenschaftenSchmelz- 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°CH2S = -60°C • Im Wasser gelöste Stoffe verändern Siede- und Schmelzpunkt.

  17. Versuch: Gefrierpunktserniedrigung  Wasser hat bei einem bestimmten Mischungsverhältnis mit NaCl einen Gefrierpunkt von -21°C

  18. 3.1) Physikalische EigenschaftenOberflächenspannung • An der Oberfläche werden Moleküle nur einseitig in die Flüssigkeit gezogen • Im Wasser wirken die Kräfte von allen Seiten gleich Aufgrund der starken Zwischenmolekularen Kräfte: Je höher die Oberflächenspannung, desto mehr ist die Flüssigkeit bestrebt eine Kugelform anzunehmen.

  19. 3.1) Physikalische EigenschaftenOberflächenspannung 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!

  20. 3.1) Physikalische EigenschaftenWärmekapazität • 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

  21. Versuch Q = CCu * mCu * ( Brenner - Misch) = CH2O * mH2O * ( Misch - H2O kalt) Brenner = CH2O * mH2O * ( Misch - H2O kalt) + Misch CCu * mCu Brenner = 4,18 kJ/kg*K * 10ml * (72°C-24°C) + 72°C 0,38 kJ/kg*K * 10 g Brenner = 600 °C

  22. 3.1) Physikalische EigenschaftenElektrische 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

  23. 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

  24. Lösen von:  Salzen/Kristallen - gefördert durch erhitzen - dissoziieren vollständig Kristall + H2O + Energie —> Kristallbausteine (aq)  endotherm  Gasen - erschwert durch erhitzen - Proportional zum Druck Gas (g.) + H2O (flüssig) —> Gas (aq) + Energie  exotherm 3.1) Physikalische Eigenschaften Wasser als Lösungsmittel

  25. Sonstige besondere Eigenschaften • Verdunstungskälte (Kühlung von Tieren/Pflanzen) • Viskosität • Benetzbarkeit • Wärmeleitfähigkeit

  26. 3.2) Chemische Eigenschaften • Reaktivität(Ampholyt) • PH-Wert • Ionenprodukt & Autoprotolyse

  27. 3.2) Chemische EigenschaftenReaktivität • Wasser ist ein Ampholyt. Es kann sowohl als Säure aber auch als Base reagieren. Base: HCl + H2O<--> H3O + Cl Säure:Cl + H2O<--> HCl + OH + - - -

  28. 3.2) Chemische EigenschaftenPH-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“

  29. 3.2) Chemische EigenschaftenPH-Werte • Abhängig von der Temperatur: • Je höher die Temperatur, desto höher die Konzentration der H3O+ - Ionen!

  30. 3.2) Chemische EigenschaftenIonenprodukt Autoprotolyse Molmasse: 18g/mol n= m/M n= 996g/18g/mol n= 55,3mol Was bedeutet Konzentration von H2O?

  31. 3.2) Chemische EigenschaftenIonenprodukt 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)

  32. 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.

  33. 4) Synthese am Pt-Katalysator • Katalysator setzt die Aktivierungsenergie wesentlich herab. • Die Reaktion ist exotherm.

  34. 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

  35. Zerlegung des Wassers in seine ursprünglichen Bestandteile Gleichspannung 20V H2SO4 beschleunigt den Vorgang Anschließender Nachweis der Gase Vorsichtig bei H2 ! 4) Elektrolyse (Hoffmann´scher Zersetzungsapparat)

  36. 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

  37. Zersetzung Knallgasprobe(H2) Glimmspanprobe(O2)

  38. 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!

  39. 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!

  40. 4) Cobaltchlorid und Wasser CoCl2 + 6 H2O <--> CoCl2*6 H2O Cobaltchloridlila Komplex Diese Reaktion läuft auch bei den Wetterfiguren ab. Bei feuchter Wetterlage verfärbt sich die Figur lila!

  41. 5) Energie durch Wasserkraft • Gezeitenkraftwerke • Laufwasserkraftwerke Vor-und Nachteile der Energiegewinnung!

  42. Macht sich die durch den Mond hervorgerufenen Anziehungskräfte zu Nutzen Liegt meist an Flussmündungen zum Meer 5) Gezeitenkraftwerk

  43. 5) Laufwasserkraftwerk • Ähnliches Prinzip, nutzt die Fliesgeschwindigkeit eines Flusses. • Durch vorheriges Aufstauen, wird der Wirkungsgrad erhöht!

  44. Vorteile: 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 5) Vor -und Nachteile

  45. 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

  46. 7) Zukunftsprognosen • Wasser - Das blaue Gold des 21. Jahrhunderts

  47. 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

  48. Dieser Vortrag wurde Ihnen präsentiert von:Julia Blankenhorn als Julia BlankenhornMarkus Kibel als Markus KibelRegie: Prof. Dr. Achim HabekostBühnenbild und Requisite: Frau HornsteinKostüme: ChemieladenWir bedanken uns ebenfalls bei unseren Statisten:Ela, Gianpaolo, Rosa, Jonathan, Alex, Susanne, Manuela

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