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Zeolithe – ein Beispiel für Wasserenthärter

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Schulzmathias
Zeolithe – ein Beispiel für Wasserenthärter
lernst du in der 8. Klasse - 9. Klasse - 10. Klasse

Grundlagen zum Thema Zeolithe – ein Beispiel für Wasserenthärter

Inhalt

Die Stoffgruppe der Zeolithe – Chemie

Hast du schon einmal etwas von weichem Wasser und hartem Wasser gehört? In diesem Zusammenhang fällt oft auch der Begriff der Wasserhärte. Ist das Wasser zu hart, benötigt man einen sogenannten Wasserenthärter. Beispiele für solche Wasserenthärter sind die Zeolithe. Was das genau ist und welche Wirkungen Zeolithe haben, werden wir in diesem Text genauer untersuchen.

Warum braucht man Wasserenthärter wie Zeolithe?

Der Begriff Wasserhärte sagt aus, wie viele Calciumionen und Magnesiumionen sich im Wasser befinden. Je höher die Wasserhärte, desto höher ist auch der Anteil dieser Ionen.

Eine hohe Wasserhärte findet man in Regionen mit Gips und Kalkstein und eine geringe Wasserhärte in Gebieten mit Granit und Sandstein.

Hartes Wasser bringt einige Probleme mit sich, so kann es zum Beispiel zu Kalkablagerungen in Heißwassergeräten und Leitungen (Kesselsteinbildung) kommen oder die Waschleistung wird durch die Bildung von Kalkseifen gemindert. Aus diesem Grund benötigt man Wasserenthärter, die die Calcium- und Magnesiumionen aus dem Wasser entfernen.

Was sind Zeolithe? – einfach erklärt

Zeolithe bestehen aus Aluminium ($\ce{Al}$), Sauerstoff ($\ce{O2}$) und Silcium ($\ce{Si}$). Es sind sogenannte Alumosilikate.

Silikate ($\ce{Si_xO_y}$) sind Salze der Kieselsäure und Kieselsäuren sind Sauerstoffsäuren des Siliciums ($\ce{SiO2 * n H2O}$).

Alumosilikate sind aus zwei Grundbausteinen, den $\ce{SiO4}$-Tetraedern und den $\ce{AlO4^-}$-Tetraedern, aufgebaut.

basische Zeolithe Inhaltsstoffe

Dabei sind die Aluminium- und Siliciumatome untereinander durch Sauerstoffatome verbunden. Zeolithe kommen in vielen verschiedenen Modifikationen in der Natur vor. Die natürlichen Zeolithe bilden eine eigene Stoffgruppe – die Zeolithgruppe. Es können aber auch synthetische Zeolithe hergestellt werden. Modifizierungen der Zeolithe können durch Austausch der Ionen oder chemische Behandlung erreicht werden.

Die Verwendungsmöglichkeiten der Zeolithe sind vielfältig. Dabei werden jeweils zwei besondere Eigenschaften genutzt:

Eigenschaften der Zeolithe Beschreibung Zeolithe Anwendungsbeispiele
Ionenaustausch Zeolithe besitzen die Fähigkeit, ihre freien Kationen gegen andere auszutauschen.
  • Wasserenthärtung in Waschmitteln
  • Beseitigung von Schwermetallen aus Abwässern
  • Adsorptionskapazität Zeolithe können neutrale Verbindungen in die Mikroporen ihrer Kristallstruktur einlagern.
  • Trocknungsprozess in Geschirrspülmaschinen
  • In Katzenstreu
  • Trennung von organischen Molekülen nach ihrer Größe
  • In Kälteanlagen und Wärmepumpen als Filtertrockner
  • Wie funktionieren Zeolithe? – Beispiel Zeolith A

    Bei den Alumosilikaten liegt eine vollständige Kondensation entstanden durch Kondensationsreaktionen vor. Die Alumosilikate bestehen also aus einer $\ce{SiO4}$-Gitterstruktur, bei der einige Siliciumatome durch Aluminiumionen ausgetauscht sind. Da Silicium vier Valenzelektronen besitzt, Aluminium jedoch nur drei, befindet sich an den Aluminiumzentren eine negative Ladung. Dadurch entsteht eine anionische Gerüststruktur mit Hohlräumen, in denen sich Natriumionen ($\ce{Na^+}$) und Wasser ($\ce{H2O}$) einlagern.
    In hartem Wasser werden zum Beispiel bei dem bekannten Wasserenthärter Zeolith A die Natriumionen ($\ce{Na^+}$) durch Calciumionen ($\ce{Ca^{2+}}$) getauscht.

    Mineralien Zeolith Katalysator

    Der Austausch zwischen Natrium- und Calciumionen funktioniert bei steigender Temperatur immer besser, was ein großer Vorteil beim Waschen ist. Zeolith A enthärtet damit das Wasser und minimiert die Kalkseifen- und Kesselsteinbildung.

    Dieses Video

    In diesem Video geht es um Wasserenthärter am Beispiel von Zeolithen. Dabei wird auf Wasserhärte und die damit verbundenen Probleme eingegangen. Der Aufbau und die Struktur von Zeolithen über Kieselsäure, Silikate bis zu den Alumosilikaten wird Schritt für Schritt erklärt.

    Häufige Fragen zum Thema Zeolithe (Chemie)

    Für was sind Zeolithe gut?
    Was ist Zeolith?

    Transkript Zeolithe – ein Beispiel für Wasserenthärter

    Hallo ich bin Mathias, willkommen zu Chemie. Hast du schon mal von hartem Wasser gehört? Weißt du eigentlich was das ist und welche Probleme es mit sich bringt? Das werde ich dir unter anderem in diesem Video erklären. Das Video gliedert sich wie folgt Als erstes werde ich dir erklären was Wasserhärte ist, dann was das für Probleme beim Waschen mit sich bringt. Danach werde ich auf Wasserenthärter, am Beispiel von Zeolithen eingehen. Dafür unterteile ich diesen Punkt noch einmal in Kieselsäuren, Silicate und Alumosilicate. Am Ende folgt dann die Zusammenfassung. Ursache für die „Härte“ des Wassers sind gelöste Calcium- und Magnesium-Ionen. Es gibt regionale Unterschiede in der Wasserhärte. Eine niedrige Härte weist das Wasser in Regionen auf in denen Granit und Sandstein vorherrschen wie zum Beispiel in Bremen und Teilen des Saarlands. Hartes Wasser hingegen liegt in Gebieten mit Gips und Kalkstein vor, wie zum Beispiel Berlin und im Alpenvorland. Was hat hartes Wasser nun für Auswirkungen? Das grundlegende Problem an hartem Wasser ist die verminderte Waschleistung durch die Bildung von Kalkseifen. Im Waschmittel sind Tenside enthalten. Diese Tenside liegen als leichtlösliche Natriumsalze vor. Im harten Wasser bilden sich aus den leicht löslichen Natriumsalzen schwer lösliche Calciumsalze, die sogenannten Kalkseifen. Diese Tenside sind nun nicht mehr wirksam. Dadurch ist die Waschleistung gemindert. Außerdem bilden diese Kalkseifen auch unschöne graue Ablagerungen auf der Kleidung. Ein weiteres Problem von hartem Wasser ist, dass beim Erhitzen schwerlösliches Calciumcarbonat entsteht. Calciumcarbonat besitzt die Summenformel CaCO3 und wird auch als Kesselstein bezeichnet. Es führt zu Schädigung von Heizelementen und Leitungen. Aufgrund dieser Probleme müssen Calcium- und Magnesium-Ionen aus dem Wasser entfernt werden. Wir benötigen also Wasserenthärter.

    Was ist denn ein geeigneter Wasserenthärter? Das werde ich dir nun zeigen.

    Zeolithe sind Alumosilicate. Sie bestehen aus Silicium, Aluminium und Sauerstoff. Um die Struktur dieser Verbindungen besser zu verstehen, erkläre ich dir zunächst die Silicate, also Verbindungen, die nur aus Silicium und Sauerstoff bestehen. Silicate sind Salze der Kieselsäure. Die einfachste Kieselsäure ist die Orthokieselsäure. Sie besitzt die Summenformel H4SiO4. Ihre Struktur ist tetraedisch. Die Orthokieselsäure ist nur für kurze Zeit stabil in einer wässrigen Lösung bei dem pH-Wert 3,4. Ändert sich dieser pH-Wert läuft eine Kondensation ab. Bei dieser reagieren 2 OH-Gruppen von unterschiedlichen Orthokieselsäure- Molekülen miteinander. Es kommt zur Wasserabspaltung. Bei einer Kondensation werden immer kleine Molküle abgespalten. Die beiden Orthokieselsäure-Moleküle sind nun über eine Sauerstoffbrücke verknüpft. Bei fortlaufender Kondensation bildet sich die Metakieselsäure. Sie hat die Form von Ketten oder Ringen und hat die vereinfachte Summenformel (H2SiO3)x

    Die Kondensation kann natürlich an allen 4 OH-Gruppen ablaufen. Daher können auch vielfältige Strukturen entstehen. Neben den Ketten zum Beispiel zweidimensionale flächige Strukturen und auch dreidimensionale räumlich vernetzte Strukturen. Du weißt nun, dass Kieselsäure kondensieren und vielfältige Strukturen bilden kann.

    Jetzt zeige ich dir die Silicate. Silicate sind Salze der Kieselsäure, wie du schon weißt. Bei Ihnen sind Wasserstoffatome der OH-Gruppen durch Metall-Kationen ersetzt. Wie bei den Kieselsäuren sind so auch viele Strukturen für Silicate möglich. Damit die Metall-kationen wie z.B. Natrium-Ionen möglichst viel Abstand zueinander haben ordnen sich die Na2SiO3-Einheiten im Zickzack an.
    Die einzelnen Einheiten sind über Sauerstoffbrücken miteinander verbunden. Ich zeige dir hier nur einen Ausschnitt mit drei Einheiten. Die Kette ist natürlich noch länger. Sie würde hier und hier weitergehen.

    Wie Silicate aussehen habe ich dir gezeigt. Aber was sind denn nun Alumosilicate? Bei Alumosilicaten liegt eine vollständige Kondensation vor. Wir finden also keine OH-Gruppen mehr. Es liegt ein SiO2-Gitter vor Zusätzlich sind einige Siliciumatome in der Silicatstruktur durch Aluminiumatome ausgetauscht. Silicium hat 4 Außenelektronen, Aluminium hat aber nur 3 Außenelektronen. Aluminium geht in dem Silicatgitter aber genau wie Silicium 4 Bindungen ein. Dadurch entsteht an den Aluminiumzentren eine negative Ladung. So entsteht eine anionische Gerüststruktur mit Hohlräumen. In diese Hohlräume sind Natrium-Kationen und Wasser eingelagert. Ein bekannter Zeolith ist der Zeolith A. Dieser wird oft als Ionentauscher verwendet. Hier siehst du die Käfigstruktur des Zeolith A. Im harten Wasser werden die Natriumionen, die sich in den Hohlräumen des Zeoliths befinden, durch die Calciumionen des harten Wassers ausgetauscht. Dieser Austausch funktioniert bei steigender Temperatur immer besser, was ein großer Vorteil beim Waschen ist. Somit führt Zeolith A zu Wasserenthärtung und minimiert die Kalkseifen- und Kesselsteinbildung. Es ist also gut für den Einsatz in Waschmittel geeignet. Du hast nun schrittweise gelernt wie Alumosilicate aufgebaut sind. Nun werde ich für dich das Video noch einmal kurz zusammen fassen. Kannst du dich noch an meine Eingangsfragen erinnern? Ich habe gefragt was hartes Wasser ist und welche Probleme es mit sich bringt.

    Du weißt jetzt: Dass hartes Wasser viele Calcium- und Magnesium- Ionen enthält. Dadurch treten Probleme wie Kalkseifen- und Kesselsteinbildung auf. Wasserenthärter entfernen Calcium-Ionen aus dem Wasser. Zeolith ist ein Wasserenthärter. Es ist ein Alumosilicat. Silicate sind Salze der Kieselsäure. In Alumosilicaten sind einige Silicium-Atome gegen Aluminium-Atome ausgetauscht. In ihren Hohlräumen werden Calcium-Ionen eingelagert und so das Wasser weich gemacht.

    Danke für deine Aufmerksamkeit und noch viel Erfolg beim Lernen. Bis bald dein Mathias

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    Zeolithe – ein Beispiel für Wasserenthärter Übung

    Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Zeolithe – ein Beispiel für Wasserenthärter kannst du es wiederholen und üben.
    • Beschreibe den Aufbau von Zeolithen.

      Tipps

      Von der Struktur eines Silicats kannst du dir erschließen, wie ein Zeolith aufgebaut ist.

      Lösung

      Zeolith A besitzt eine mikroporöse Gerüststruktur mit Silicium- und Aluminiumzentren, die über Sauerstoffatome verknüpft sind. Durch die negativen Ladungen an den Aluminiumatomen wird die Struktur anionisch. Die positiven Kationen verbleiben in den Hohlräumen. So kann Zeolith A auch als Ionentauscher dienen, um Wasser zu enthärten.

    • Nenne die unerwünschten Folgen von hartem Wasser.

      Tipps

      Denke an die Ursache von hartem Wasser. Daraus kannst du auf dessen Folgen schließen.

      Hartes Wasser begünstigt die Kalkbildung.

      Lösung

      Die in hartem Wasser enthaltenen Calcium-Ionen bilden mit den im Waschmittel enthaltenen Tensiden schwerlösliche Kalkseifen. Dadurch werden die Tenside wirkungslos, wodurch die Waschleistung vermindert wird. Ein anderer Nachteil an hartem Wasser ist die Kalkbildung. Diese wird auch Kesselsteinbildung genannt, wodurch es zu Schädigungen an den Heizelementen und Leitungen kommt.

    • Bestimme das Monomer, welches bei der Kondensation zu folgenden Strukturen führt.

      Tipps

      Bei einer Kondensation wird Wasser abgespalten. Was passiert dabei noch?

      Wie viele funktionelle Gruppen braucht man, um die einzelnen Strukturen bilden zu können?

      Lösung

      Bei einer Kondensation werden immer niedermolekulare Stoffe abgespalten. In diesen Fällen ist es Wasser. Es reagieren immer zwei Silonol-Gruppen miteinander. Es entsteht eine Siloxy-Gruppe, wobei zwei Siliciumzentren über ein Sauerstoffatom verknüpft sind. Mit nur einer funktionellen Gruppe kann das Molekül nur um ein anderes erweitert werden, es entsteht das Siloxan $Me_3Si-O-SiMe_3$. Reagieren Moleküle mit zwei Siloanol-Gruppen miteinander, können bereits lange Ketten gebildet werden. Bei drei Gruppen entsteht in der Struktur öfter so etwas wie eine T-Kreuzung. Es bildet sich so ein 2-dimensionales Netz. Bei vier Gruppen kommt es zur Bildung von 3-dimensionalen Gittern.

    • Benenne folgende Siliciumverbindungen.

      Tipps

      Der Name der Verbindung verrät dir meist schon, welche Elemente in ihr enthalten sind.

      Quarz is der Hauptbestandteil von Sand.

      Lösung

      In der ortho-Kieselsäure ist ein Siliciumatom tetraedrisch von vier $OH-$Gruppen umgeben. Die meta-Kieselsäure ist an zwei $OH-$Gruppen eine Kondensationsreaktion eingegangen, dadurch liegt sie z.B. in Form von Ketten vor. Das Calciumsilicat ist das Salz der Kieselsäure, welches Calcium-Ionen als Kationen besitzt. Ein Zirkon ist ebenfalls ein Silicat. Zirkone werden oft als Ersatz für Diamanten benutzt. Quarz treffen wir meist vermehrt am Strand an. Es ist der Hauptbestandteil von Sand und hat die Summenformel $SiO_2$. Die längste Formel gehört zum Zeolith A. In der Summenformel von Alumosilicaten findest du immer $AlO_2$ und $SiO_2$. Hier kommt noch das Kation $Na^+$ und das in den Hohlräumen gespeicherte Wasser dazu.

    • Nenne die Ursachen für hartes Wasser.

      Tipps

      Die Verantwortlichen sind im Wasser gelöst.

      Zeolith A kann sie aus dem Wasser entfernen.

      Lösung

      Verantwortlich für die Wasserhärte sind gelöste Calcium- und Magnesiumionen. Diese gelangen durch Lösungsvorgänge des umliegenden Gesteins ins Grundwasser und so zu uns nach Hause. Daher haben Regionen mit viel Kalkstein, wie das Alpenvorland, sehr hartes Wasser. Dadurch bildet sich beispielsweise Kalk auf den Badezimmeramaturen und in der Dusche. Beim Wäschewaschen beeinträchtigt hartes Wasser die Wirksamkeit des Waschmittels. Daher ist es wünschenswert, diese Ionen aus dem Wasser zu entfernen.

    • Vervollständige die Reaktionsgleichungen.

      Tipps

      Bei Reaktionsgleichung gilt immer der Massenerhaltungs- und der Ladungserhaltungssatz.

      Das heißt, es müssen immer genauso viele Atome auf der rechten wie auf der linken Seite sein. Das Gleiche gilt für die Ladungen. Wenn die linke Seite insgesamt elektrisch neutral ist, muss auch die rechte Seite neutral sein.

      Durch hartes Wasser werden beim Waschen schwerlösliche Calciumsalze gebildet.

      Lösung
      1. Bei einem pH-Wert, der nicht 3,4 entspricht, kondensiert Kieselsäure. Dabei reagieren zwei Kieselsäuremoleküle und werden über eine Sauerstoffbrücke verbunden. Dabei wird Wasser abgespalten.
      2. Wenn Kieselsäure in Wasser gelöst wird, protolysiert sie, das heißt, sie reagiert mit den Wassermolekülen. Dabei fungiert die Säure als Protonendonator, sie gibt also ein Proton ab. Das Wasser als Protonenakzeptor nimmt das Proton auf.
      3. Calciumcarbonat wird durch Säuren zersetzt. Es wird dabei Kohlenstoffdioxid frei und ein Calciumsalz, zum Beispiel Calciumchlorid, wird gebildet.
      4. Im Waschmittel sind Tenside in Form von leichtlöslichen Natriumsalzen enthalten. In hartem Wasser reagieren diese mit den Calciumionen. Dadurch fallen schwerlösliche Calciumsalze aus, wodurch die Tenside nicht mehr wirksam sind.
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