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Wasserhärte

Wasserhärte bezieht sich auf die Konzentration von Calcium- und Magnesiumionen im Wasser. Entdecken Sie, wie Wasserenthärter helfen können und lernen Sie die Ursachen, Auswirkungen und Methoden der Wasserenthärtung kennen. Interessiert? Dies und vieles mehr finden Sie im folgenden Text!

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Die Autor*innen
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André Otto
Wasserhärte
lernst du in der 9. Klasse - 10. Klasse

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.

  • 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.

  • 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:

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