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Zeolithe – ein Beispiel für Wasserenthärter

Die Zeolithe sind Alumosilikate, die als Wasserenthärter dienen. Sie bestehen aus Aluminium, Sauerstoff und Silicium und besitzen Ionenaustausch- und Adsorptionskapazitäten. Erfahre mehr über ihre Funktionsweise und Anwendung in unserem Video. Interessiert? Dies und vieles mehr findest du im folgenden Text!

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

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.