Aufgabe 3.1 – Wasser – eine wertvolle Ressource

Natürliche Wasserressourcen sind essenziell für das Leben auf der Erde, als Trinkwasser, für die Industrie, die Landwirtschaft und zur Energieerzeugung. Umso wichtiger ist es, Wasserknappheit zu verhindern und Wasserressourcen zu schonen.

Beschreibe unter Verwendung einer Valenzstrichformel (Lewis-Formel) den Bau eines Wasser-Moleküls als Dipol-Molekül.

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Erläutere das Donator-Akzeptor-Prinzip an der Reaktion eines Trinkwasser-Bestandteils mit Wasser (Material 1). Beziehe in deine Ausführungen eine Reaktionsgleichung ein.

4 BE

Führe die Experimente A und B zur Untersuchung der drei Wasserproben durch und notiere deine Beobachtungen (Material 2).

Ermittle aus deinen Beobachtungen jeweils die Stoffmengenkonzentration der Oxonium-Ionen und die Massenkonzentration der Chlorid-Ionen (Material 2).

Beurteile die Eignung der drei Wasserproben als Trinkwasser (Material 1, 2).

12 BE

Begründe die Notwendigkeit, Abwasser aus Industrie und in Klärwerken auf den pH-Wert zu untersuchen (Material 3).

Entwickle eine Hypothese über die Auswirkung der Zugabe von Natriumcarbonat auf den pH-Wert einer sauren Abwasserprobe.

Überprüfe deine Hypothese experimentell (Material 3, Experiment C). Werte deine Beobachtung unter Einbeziehung einer Reaktionsgleichung aus.

10 BE

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Material 1: Trinkwassergrenzwerte

Tabelle 1: Auszug Grenzwerte laut Trinkwasserverordnung (gültige Fassung)

	Einheit	Grenzwert
Eisen-Ionen	$Formula: \tfrac{\mathrm{mg}}{\mathrm{L}}$ $Formula: \tfrac{\mathrm{mg}}{\mathrm{L}}$
Mangan-Ionen	$Formula: \tfrac{\mathrm{mg}}{\mathrm{L}}$ $Formula: \tfrac{\mathrm{mg}}{\mathrm{L}}$
Hydrogencarbonat-Ionen ( $Formula: \ce{HCO3-}$ $Formula: \ce{HCO3-}$ )		keiner festgelegt
Nitrat-Ionen ( $Formula: \ce{NO3-}$ $Formula: \ce{NO3-}$ )	$Formula: \tfrac{\mathrm{mg}}{\mathrm{L}}$ $Formula: \tfrac{\mathrm{mg}}{\mathrm{L}}$
Ammonium-Ionen ( $Formula: \ce{NH4+}$ $Formula: \ce{NH4+}$ )	$Formula: \tfrac{\mathrm{mg}}{\mathrm{L}}$ $Formula: \tfrac{\mathrm{mg}}{\mathrm{L}}$
Chlorid-Ionen ( $Formula: \ce{Cl-}$ $Formula: \ce{Cl-}$ )	$Formula: \tfrac{\mathrm{mg}}{\mathrm{L}}$ $Formula: \tfrac{\mathrm{mg}}{\mathrm{L}}$
Sulfat-Ionen ( $Formula: \ce{SO4^2-}$ $Formula: \ce{SO4^2-}$ )	$Formula: \tfrac{\mathrm{mg}}{\mathrm{L}}$ $Formula: \tfrac{\mathrm{mg}}{\mathrm{L}}$
Oxonium-Ionen ( $Formula: \ce{H3O+}$ $Formula: \ce{H3O+}$ )	pH	von bis

Material 2: Untersuchung von Wasserproben

Experiment A

Bestimme den pH-Wert der drei vorgegebenen Wasserproben mit Universalindikator-Lösung.

Experiment B

Versetze jeweils ca. $Formula: 5\;\mathrm{mL}$ $Formula: 5\;\mathrm{mL}$ der Wasserproben zuerst mit fünf Tropfen Salpetersäure-Lösung und anschließend mit drei Tropfen Silbernitrat-Lösung. Schüttle das Gemisch.

Tabelle 2: Grad der Niederschlagsbildung verschieden konzentrierter Chlorid-Ionen-haltiger Lösungen nach Zugabe von Silbernitrat-Lösung

Grad der Niederschlagsbildung	Massenkonzentration $Formula: \boldsymbol{\beta}(\ce{Cl-})$ $Formula: \boldsymbol{\beta}(\ce{Cl-})$ in $Formula: \boldsymbol{\tfrac{\mathrm{mg}}{\mathrm{L}}}$ $Formula: \boldsymbol{\tfrac{\mathrm{mg}}{\mathrm{L}}}$
Trübung, noch durchsichtig	$Formula: 30\ldots80$ $Formula: 30\ldots80$
Trübung, undurchsichtig	$Formula: 80\ldots150$ $Formula: 80\ldots150$
sehr starke Trübung, Zusammenballung	$Formula: 150\ldots300$ $Formula: 150\ldots300$
starke Niederschlagsbildung	$Formula: \gt 300$ $Formula: \gt 300$

Material 3: Abwasser

Das Abwasser von Klärwerken und Industriebetrieben muss vor der Einleitung in die Umwelt auf seinen pH-Wert getestet werden. In der Metallurgie ist das Abwasser durch Salze, Schwermetall-Ionen und oxidierbare organische Substanzen belastet. Bei einer Chlorid-Ionen-Konzentration ab $Formula: 185\;\tfrac{\mathrm{mg}}{\mathrm{L}}$ $Formula: 185\;\tfrac{\mathrm{mg}}{\mathrm{L}}$ und einem geringen pH-Wert treten Schäden an metallischen Rohrleitungssystemen auf. Die biologischen Reinigungsstufen von Klärwerken arbeiten nur zufriedenstellend bei einem pH-Wert um den neutralen Bereich. Viele Wasserlebewesen weisen eine relativ geringe Toleranz gegenüber Schwankungen des pH-Werts auf. Ein effizienter biologischer Abbau von Stickstoffverbindungen durch Mikroorganismen kann nur bei pH-Werten um Formula: 7 erfolgen.

Experiment C

Zur Überprüfung deiner Hypothese stehen folgende Chemikalien zur Verfügung:
saure Abwasserprobe, Natriumcarbonat (s) und Universalindikator-Lösung.

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Beschreiben des Dipol-Moleküls Wasser

Strukturformel eines Wassermoleküls (H₂O).

polare Atombindung zwischen Sauerstoff- und Wasserstoff-Atomen
Ausbildung positiver Teilladungen an den Wasserstoff-Atomen und negativer Teilladung am Sauerstoff-Atom
Ladungsschwerpunkte sind räumlich getrennt, da Molekül gewinkelt

Erläutern des Donator-Akzeptor-Prinzips

$Formula: \ce{NH4+ + H2O <=> H3O+ + NH3}$ $Formula: \ce{NH4+ + H2O <=> H3O+ + NH3}$
Protonendonator: Ammonium-Ion
Protonenakzeptor: Wasser-Molekül
Protonenübergang vom Ammonium-Ion zum Wasser-Molekül

Durchführen der Experimente

Notieren der Beobachtungen

Experiment	Wasserprobe 1	Wasserprobe 2	Wasserprobe 3
A	$Formula: \text{pH-Wert} \approx 1$ $Formula: \text{pH-Wert} \approx 1$	$Formula: \text{pH-Wert} \approx 7$ $Formula: \text{pH-Wert} \approx 7$	$Formula: \text{pH-Wert} \approx 12$ $Formula: \text{pH-Wert} \approx 12$
B	Niederschlagsbildung	Trübung (noch durchsichtig)	keine Veränderung

Ermitteln der Stoffmengenkonzentration der Oxonium-Ionen und Massenkonzentration der Chlorid-Ionen

$Formula: c(\ce{H3O+}) = 10^{-\text{pH}}\,\frac{\text{mol}}{\text{L}}$ $Formula: c(\ce{H3O+}) = 10^{-\text{pH}}\,\frac{\text{mol}}{\text{L}}$

	Wasserprobe 1	Wasserprobe 2	Wasserprobe 3
$Formula: c(\ce{H3O+})\text{ in }\frac{\text{mol}}{\text{L}}$ $Formula: c(\ce{H3O+})\text{ in }\frac{\text{mol}}{\text{L}}$	$Formula: 10^{-1}$ $Formula: 10^{-1}$	$Formula: 10^{-7}$ $Formula: 10^{-7}$	$Formula: 10^{-12}$ $Formula: 10^{-12}$
$Formula: \beta(\ce{Cl-})\text{ in }\frac{\text{mg}}{\text{L}}$ $Formula: \beta(\ce{Cl-})\text{ in }\frac{\text{mg}}{\text{L}}$

Beurteilen der Eignung als Trinkwasser

Wasserprobe 1 übersteigt die Grenzwertbereiche
Wasserprobe 2: Grenzwertbereich des pH-Werts und der Chlorid-Ionen-Konzentration werden eingehalten
Wasserprobe 3 übersteigt die Grenzwertbereiche
Sachurteil: Wasserprobe 2 kann Trinkwasser sein

Begründen der Untersuchung des pH-Werts von Abwasser

biologischer Abbau der Stickstoffverbindungen im neutralen pH-Bereich
Schutz von Wasserlebewesen

Entwickeln der Hypothese

Carbonat-Ionen reagieren mit Oxonium-Ionen
Stoffmengenkonzentration der Oxonium-Ionen sinkt
durch Zugabe von Natriumcarbonat erhöht sich der pH-Wert der Abwasserprobe

Experimentelles Überprüfen der Hypothese

Durchführung

Beobachtung

Farbänderung, Gasentwicklung

Auswertung

$Formula: \ce{CO3^2- + 2 H3O+ <=> 3 H2O + CO2}$ $Formula: \ce{CO3^2- + 2 H3O+ <=> 3 H2O + CO2}$
pH-Wert steigt
Hypothese verifiziert

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Lerninhalte in Chemie

Aufgabe 3.1 – Wasser – eine wertvolle Ressource

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Material 1: Trinkwassergrenzwerte

Material 2: Untersuchung von Wasserproben

Material 3: Abwasser

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