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Wasserhärte 09:18 min

Textversion des Videos

Transkript Wasserhärte

Guten Tag und herzlich willkommen. Dieses Video heißt "Wasserhärte". An Vorkenntnissen solltest du mit den chemischen Fachtermini Basen, Säuren, Salze, Neutralisation und Dissoziation gut vertraut sein. Ich möchte, dass du nach dem Video weißt, was es mit der Wasserhärte auf sich hat. Dass du darüber informiert bist, welche Vor- und Nachteile hartes Wasser mit sich bringt. Der Film besteht aus 7 Abschnitten.

  1. Wasser hat keine Balken
  2. Ursprung der Wasserhärte
  3. Weiches und hartes Wasser
  4. Vorteile von hartem Wasser
  5. Nachteile von hartem Wasser
  6. Wasserenthärtung und 7. Zusammenfassung

  7. Wasser hat keine Balken So oder so ähnlich sagt man sich umgangssprachlich - und es wird auch von unserer Kopfspringerin hier so gezeigt. Demzufolge ist Wasser nicht hart. Aber wie ist das dann gemeint? Ganz einfach und doch so schwer. Hartes Wasser enthält Calcium-Ionen und Magnesium-Ionen.

  8. Ursprung der Wasserhärte Es gibt in der Natur verschiedene Minerale, die die Ionen des Calciums und Magnesiums enthalten. Wichtige Vertreter sind Calcit und Aragonit. Es handelt sich hier chemisch um CaCO3, Calciumcarbonat. Das Mineral Dolomit kann man als Gemisch von Calciumcarbonat und Magnesiumcarbonat auffassen. Aus natürlichen Wasservorkommen kristallisieren sogenannte Ooide aus. Sie enthalten Calcium und Magnesium. Außerdem finden wir die Ionen des Calciums und Magnesiums in den Tropfsteinen der Höhlen. Die Calcium- und Magnesiumionen werden durch Wasser aus den Mineralen ausgespült und gelangen dann zu den entsprechenden Erscheinungsformen.

  9. Weiches und hartes Wasser Weiches - bisher hartes - Wasser werden auf einer Scala von 0 bis über 30 angeordnet. Im ersten Drittel finden wir sehr weich und weich. Von 10 bis unterhalb 15 schließt sich mittelhart an. Hart gibt es etwa über 20 und dann folgt sehr hartes Wasser. Die Einheit ist Grad dH; das bedeutet Grad deutscher Härte. Definiert ist 1 Grad dH als umgerechnet 10 mg Calciumoxid auf einen Liter wässriger Lösung. Das entspricht 0,1783 Millimol Calciumozid pro Liter wässriger Lösung. Die Gesamthärte setzt sich aus 2 Komponenten zusammen. Die 1. ist die temporäre Härte, auch Carbonathärte genannt. Der 2. Teil ist die permanente Härte; man nennt sie auch Sulfathärte. Die temporäre Härte (Carbonathärte) kann man beseitigen, wenn man Säure hinzufügt oder erhitzt. Härte kann man mit einer geeichten Seifenlösung bestimmen.

  10. Vorteile von hartem Wasser Man hört über hartes Wasser so viel Böses. Daher beginnen wir einmal mit den Vorteilen. Calcium- und Magnesiumionen sind lebensnotwendig. Magnesiumionen dienen der Bildung des Blutplasmas. Viele Enzymreaktionen finden unter Beteiligung von Magnesiumionen statt. Calciumionen benötigt man für die Muskeltätigkeit. Auch die Funktion der Nerven ist ohne sie nicht möglich. Außerdem sind Calciumionen essentiell für die Zellteilung und die Blutgerinnung außerhalb des Körpers. Hartes Wasser neutralisiert aggressive Kohlensäure. Hartes Wasser bildet auf Metalloberflächen eine Schicht, die die Korrosion behindert. Außerdem bewirkt hartes Wasser eine Pufferwirkung im Boden. Der Boden wird durch begrenzte Säurezufuhr nicht sauer.

  11. Nachteile von hartem Wasser Es ist seit langem bekannt, dass hartes Wasser Kesselstein bildet. Dabei entsteht aus löslichem Calciumhydrogencarbonat durch Wärme unlösliches Calciumcarbonat - das ist Kesselstein. Es kann neben Calciumcarbonat auch Magnesiumcarbonat enthalten sein. Als Nebenprodukte entstehen bei der Reaktion Wasser und Kohlenstoffdioxid. Calciumcarbonat ist ein schlechter Wärmeleiter. Im Ergebnis kommt es zu einem erhöhten Energieverbrauch, zur lokalen Überhitzungen und zur Zerstörung des Kessels. Kesselstein führt in wasserführenden Rohren zu einer Querschnittsverengung. Hartes Wasser hat noch weitere Nachteile. Tee und Kaffee erfahren bei ihrer Zubereitung eine geschmackliche Minderung und schließlich kann es zum Beispiel auf Glasgeschirr zu Kalkflecken kommen. Die Reaktion mit Seife ist auch nicht wünschenswert, denn hartes Wasser bildet mit Seife Kalkseife. Kalkseife ist wasserunlöslich, sie ist nicht waschaktiv. Kalkseife bildet einen grauen Belag. Durch Kalkseife kommt es zu einem Angriff auf die Faserstruktur, daher war das Wäschewaschen früher so schwer. Heute wird dafür Seife nicht mehr verwendet.

  12. Wasserenthärtung Vor der Wasserenthärtung ist häufig eine Härtebestimmung sinnvoll. Durch Chelate, die besonders stabile Komplexe bilden, wie zum Beispiel mit EDTA, kann man die Gesamthärte von Wasser bestimmen. Mit einer Säure, wie zum Beispiel Salzsäure, kann man die Carbonathärte bestimmen. Ein Hydrogencarbonation reagiert mit einem Hydroniumion zu einem Molekül Kohlenstoffdioxid und 2 Molekülen Wasser. Eine Möglichkeit der Wasserenthärtung ist das Ausfällen. Lösliches Calciumhydrogencarbonat reagiert mit Calciumhydroxid . Calciumcarbonat wird ausgefällt und Wasser entsteht. Eine weitere Möglichkeit ist das Auflösen. Das lösliche Calciumhydrogencarbonat reagiert mit Salzsäure. Es bilden sich lösliches Calciumchlorid, Wasser entsteht und Kohlendioxid wird frei. So bestimmt man die Carbonathärte. Noch eine 2 vor dem CaCo3 in der ersten Gleichung und die Seite ist fertig. Die 3. Methode ist die Komplexbildung, die wir bereits bei der Analyse besprochen haben. Calcium- und Magnesiumionen werden aus der Lösung entfernt. Den gleichen Effekt erzielt man mit einem Ionenaustauscher.

  13. Zusammenfassung Hartes Wasser enthält lebensnotwenige Ionen. Zu große Härte hat negative Folgen. Mit geeigneten Methoden der Wasserenthärtung kann man dem entgegenwirken.

Ich danke für eure Aufmerksamkeit. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüss!          

Wasserhärte Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Wasserhärte kannst du es wiederholen und üben.

  • Definiere hartes Wasser.

    Tipps

    Das Mineral Aragonit hat die Formel ${CaCO}_{3}$.

    Die Wasserhärte wird temporär (Carbonathärte) und permanent (Sulfathärte) angegeben.

    Die Mineralien in Tropfsteinhöhlen können Ionen ins Grundwasser abgeben.

    Lösung

    Hartes Wasser hat seinen Ursprung in calcium- und magnesiumhaltigen Mineralien. Das bedeutet auch, dass die Wasserhärte mit Magnesium- und Calciumionen zusammenhängt. Je mehr davon im Wasser vorliegen, desto „härter“ ist das Wasser zu bezeichnen. Ionen der Halogene, wie etwa Fluorid und Chlorid, können natürlich auch im Wasser gelöst sein, haben aber nichts mit der Härte zu tun.

    Die Mineralien, welche für die Wasserhärte verantwortlich sind, sind der sogenannte Aragonit $({ CaCO }_{ 3 })$ und der Dolomit $({ CaCO }_{ 3 }\cdot{ MgCO }_{ 3 })$. Diese werden vom Wasser umspült und geben die Ionen ins Wasser ab.

  • Erkläre die folgenden Methoden der Wasserenthärtung.

    Tipps

    Die Methode des Ausfällens basiert auf dem Ausfall von schlecht löslichen Salzen.

    Beim Auflösen entsteht ein leicht lösliches Produkt.

    Lösung

    Es gibt verschiedene Möglichkeiten, hartes Wasser zu enthärten.

    Ausfällen: Beim Ausfällen fällt schwerlösliches Calciumcarbonat aus, welches leicht entfernt werden kann.

    $Ca(HCO_3)_2+\quad 2~{OH}^- \rightarrow CaC{ O }_3 + 2~H _2O$

    Reaktion von Kesselstein mit Säure: Das ausgefallene Calciumcarbonat könnte man beispielsweise mit Säure entfernen, da hier gasförmiges Kohlenstoffdioxid ensteht und leicht lösliches Calciumchlorid.

    $CaC{O}_{3}+\ 2~{ H }_{ 3 }{ O }^{ + } \rightarrow C{ a }^{ 2+ } + { CO }_{ 2 }+ 2~{ H }_{ 2 }O$

    Auflösen: Als dritte Möglichkeit bietet sich das sogenannte Auflösen mit einer starken Säure, wie etwa Salzsäure, an:

    $Ca(HC{ O }_{ 3 }{ ) }_{ 2 } + 2~HCl \rightarrow CaCl_{ 2 } + 2~{ H }_{ 2 }O + 2~{ CO }_{ 2 }$.

    Ionenentfernung: Als letzte und vierte Möglichkeit gibt es die Möglichkeit, mit Molekülen, Chelate genannt, die Ionen direkt auszutauschen und zu entfernen. Alternativ kann man auch einen Ionenaustauscher benutzen. Diese selektive Entfernung ist sehr effektiv.

  • Beschreibe die Methode der Wasserenthärtung mittels Ionentauscher.

    Tipps

    Ob ein Anionen- oder ein Kationentauscher eingesetzt wird, richtet sich nach Art der Ionen, die entfernt werden sollen.

    Chemische Reaktionen, die einem Gleichgewicht unterliegen, sind reversibel, sie können also auch umgekehrt ablaufen.

    Lösung

    Calcium- und Magnesiumionen sind verantwortlich für die Härte des Wassers. Durch Ionenaustausch können die Calcium- und Magnesiumkationen effektiv entfernt werden. Hierbei benutzt man sogenannte Ionenaustauscher. Ionenaustauscher sind Stoffe, die bestimmte Ionen aus einer Elektrolytlösung entfernen können und sie mit anderen Ionen tauschen. Sollen Kationen entfernt werden, müssen Kationentauscher verwendet werden. Diese Ionentauscher begegnen uns im alltäglichen Leben, in der Technik und der Natur. Hier ist beispielsweise der Humusboden zu nennen.

    Das Prinzip der Ionenaustauscher ist das einer Gleichgewichtsreaktion. Die Reaktion ist reversibel unter bestimmten Bedingungen. Wichtig ist außerdem, dass Ionenaustauscher regenerierbar sind. Das bedeutet, dass man sie mehrfach benutzen kann. Die folgende Reaktionsgleichung gibt vereinfacht eine Reaktion dieser Art wieder:

    ${ 2~R-S{ O }_{ 3 } }H + { Ca }^{ 2+ } \leftrightharpoons (R-{ SO }_{ 3 }{ ) }_{ 2 }Ca + 2~{ H }^{ + }$.

  • Beschreibe die Vor- und Nachteile von hartem Wasser.

    Tipps

    Hartes Wasser schützt durch einen Kalkbelag vor Oxidation.

    Calcium- und Magnesiumionen werden herausgeschmeckt, wenn sie sich in großer Menge im Wasser befinden.

    Lösung

    Hartes Wasser, also Wasser mit vielen Calcium- und Magnesiumionen, hat sowohl Vor- als auch Nachteile.

    Die nennenswerten Vorteile sind sicherlich, dass Calcium und Magnesium wichtige Stoffe im menschlichen Körper sind, welche unter anderem für die Blutgerinnung, Funktion der Muskeln und das Nervensystem relevant sind. Ebenfalls schützen die Ionen im Wasser vor Korrosion und neutralisieren die saure Kohlensäure.

    Nachteile sind sicherlich die geschmackliche Linderung aller Getränke auf Basis von hartem Wasser, wie etwa Tee oder Kaffee. Seife wird zu sogenannter Kalkseife, welche die Waschwirkung herabsetzt und auch die Fasern der Wäsche angreift. Ein weiterer Nachteil ist die Bildung von Kesselstein, Calciumcarbonat. Dieses Carbonat senkt die Wärmeleitung und verringert den Querschnitt.

  • Bestimme die Wirkung von Calcium- und Magnesiumionen im Körper.

    Tipps

    Knochen bestehen zu großem Teil aus ${Ca}_{5}({PO}_{4})_{3}{OH}$.

    Lösung

    Die beiden Elemente Magnesium und Calcium stellen in der täglichen Ernährung einen wichtigen Faktor dar. Beide sind für zahlreiche Abläufe im Körper zuständig.

    Calcium ist kein Spurenelement, sondern kommt im menschlichen Körper in größerer Menge vor. Es ist Basis für die Knochen, Hydroxylapaptit ($Ca_5(PO_4)_3OH$), und auch für die Zähne. Ebenfalls sehr wichtig ist, dass Calcium auch für das zentrale Nervensystem essentiell ist. Zahlreiche Nervenreaktionen laufen nach der Aktivierung durch Calciumionen ab. An der Kontraktion von Muskeln, also dem Zusammenziehen, etwa beim Heben von Lasten, ist ebenfalls Calcium beteiligt.

    Magnesium dagegen ist ebenfalls ein wichtiges, Nichtspurenelement, welches aber nicht in so großen Mengen im Körper vorhanden ist wie Calcium. Relevant ist das Magnesium für zahlreiche Enzymreaktionen und es ist in größerer Anzahl im Blutplasma enthalten. Zuletzt ist es wichtig für die Kontraktion des Herzmuskels.

  • Erstelle eine Liste mit Laborgeräten und Chemikalien zum Lösen von Kalk.

    Tipps

    Kalk hat die chemische Formel ${ Ca }{ CO }_{ 3 }$.

    Der feste Kalk sollte noch in ein separates Gefäß überführt werden. Welche Geräte benötige ich dafür?

    Fester Kalk kann gelöst werden. Welche Stoffklasse benötigt man dafür?

    Lösung

    Fester Kalk ist äußerst unlöslich in Wasser und somit muss eine Substanz gefunden werden, diesen nach Labomaßstäben lösen zu können. Zuerst benötigen wir ein Reagenzglas und einen Spatel, um etwas von dem festen Kalk in ein Reagenzglas zu überführen. Erhitzen muss man nicht, da die Reaktion freiwillig abläuft. Handschuhe als Laborsicherheit sind allerdings im Umgang mit Säuren Standard.

    Als Nächstes muss man überlegen, welche Stoffklasse Kalk, also Calciumcarbonat, zuverlässig löst. Dies sind Säuren, die aus dem Carbonat gasförmiges Kohlenstoffdioxid machen und das Calciumion in ein lösliches Calciumsalz (Calciumacetat) überführen. Die beiden angegebenen Basen helfen uns nicht weiter an dieser Stelle. So kann übrigens auch mit normalem Haushaltsessig Kalk gelöst werden, weshalb dieser oft in Kalkreinigern enthalten ist.