Experimente zum Thema Klärwerk

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Heike Frerichs

Experimente zum Thema Klärwerk

Materialien für den kompetenzorientierten Chemieunterricht am Gymnasium

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Bergedorfer ® Unterrichtsideen

Heike Frerichs

CHEMIE

Materialien für den kompetenzorientierten Chemieunterricht am Gymnasium

Chemische Experimente zu Alltagsphänomenen

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Lehrerhinweise zu den Versuchen

Versuch 1: Phosphatnachweis in Blumendünger

An dieser Stelle wird zunächst das Prinzip der positiven Blindprobe (auch Vergleichsprobe) eingeführt. Damit wird anhand bekannter Chemikalien ein Nachweisverfahren eingeübt. Ggf. können Blindprobe und Dünger- untersuchung auch in verschiedenen Gruppen durchgeführt werden.

Zum Versuch:

In wässriger Lösung besteht ein Gleichgewicht aus Heptamolybdat-Ionen und Molybdat-Ionen:

Mo₇O₂₄^6– + 4 H₂O

⇌

_{7 MoO}

4

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Es bildet sich ein gelber Ammoniummolybdatophosphatkomplex (auch Molybdängelb genannt):

12 MoO₄^2– + PO₄^3– + 24 H⁺ + 3 NH₄⁺

→

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Die zugegebene Ascorbinsäure wirkt als Reduktionsmittel und reduziert das Ammoniummolybdatophosphat zum Molybdänblau (Mo₄O₁₀(OH)₂).

Häufig findet sich in der Literatur der Hinweis auf den Phosphatnachweis in Waschmitteln. Diese enthalten jedoch größtenteils kein Phosphat mehr und sind daher für den Versuch ungeeignet. Möglich jedoch ist für diesen Versuch die Verwendung von Reinigungsmitteln (Inhaltsstoffe beachten). Falls Polyphosphate nachge- wiesen werden sollen, muss die Lösung vor Zugabe des Molybdats fünf Minuten gekocht werden.

Bei dem Nachweis von Phosphaten in handelsüblichen Düngestäbchen: Die Liste der Inhaltsstoffe sollte „was- serlösliches Phosphat“ aufführen.

Versuch 2: Phosphatfällung

Zunächst löst sich Na₂HPO₄ in Wasser komplett auf, es entsteht eine klare Lösung:

Na₂HPO_4(aq)

⇌

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(aq) + H⁺_(aq) + PO₄^3–_(aq)

Nach Zugabe von Eisen(III)-chlorid erfolgt die Fällung zu Eisen(III)-phosphat (gelblich-weiße Flocken):

PO₄^3– + FeCl₃

→

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4

↓

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Versuch 3: Grundwasserverseuchung durch Dieselkraftstoff

Auf der Website der Stadtentwässerung Dresden (www.stadtentwaesserung-dd.de) findet sich unter dem Stichwort „interaktive Kläranlage“ eine „virtuelle“ Kläranlage, in der die Prozesse sehr anschaulich dar- gestellt werden.

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Heike Frerichs: Experimente zum Thema Klärwerk

Versuch 4: Ölreinigung durch Bindemittel

Dieselkraftstoff ist giftig und wird in diesem Versuch durch Olivenöl (eignet sich besonders gut, da häufig in- tensiver gefärbt als andere Öle) ersetzt.

Aktivkohlen sind durch Erhitzen organischer Stoffe dargestellte Holzkohlen. Die zur Verwendung als Adsorpti- onsmittel notwendige große Oberfläche wird durch Zugabe von Fremdstoffen (z. B. Zinkchlorid) erreicht, die ein Zusammensintern der Kohle verhindern und nachträglich leicht herausgelöst bzw. verflüchtigt werden können.

Werden Flüssigkeiten oder Gase mit unlöslichen feinsten Verunreinigungen durch Aktivkohle geleitet, bleiben diese an der Oberfläche der Aktivkohle hängen (sie werden adsorbiert) – je größer die Oberfläche, desto mehr Verunreinigungen können von der Aktivkohle aufgenommen werden. Gute Aktivkohlen haben Oberflächen von mehr als 1000 m² pro Gramm (mehr als ein Handballfeld, 20 m × 40 m) und können bis zu 50 % ihres Gewichts an organischer Substanz aufnehmen.

Versuch 5: Bestimmung der Gesamthärte des Leitungswassers

Die Wasserhärte ist ein Maß für den Gehalt an Magnesium- und Calciumionen (Barium- und Strontiumsalze sind wegen ihrer sehr geringen Konzentrationen vernachlässigbar). Die Gesamthärte des Wassers setzt sich aus der temporären (auch Carbonathärte, gebildet aus Carbonaten und Hydrogencarbonaten) und der perma- nenten Härte (gebildet aus allen anderen Salzen, z. B. Sulfaten) zusammen.

Seit 2007 gilt eine neue Einteilung der Wasserhärte (Anpassung an EU-Recht). Die Nummerierung der Härte- bereiche wurde abgeschafft und die Anzahl von vier auf drei reduziert: Die früheren Härtebereiche „hart“ und

„sehr hart“ wurden zu einem Härtebereich „hart“ zusammengefasst. Zudem wurde die obere Grenze für weiches Wasser auf 8,4 °dH angehoben und alternativ zur Angabe des deutschen Härtegrades (°dH) die Be- zeichnung „mmol Calciumcarbonat je Liter“ eingeführt.

Aktuelle Einteilung der Härtebereiche:

Härtebereich weich: weniger als 1,5 Millimol Calciumcarbonat je Liter (entspricht 8,4 °dH), daraus folgt zur Berechnung des Härtegrades aus dem Calciumgehalt eines Wassers (Angabe in mmol) ein Umrechnungsfaktor von 5,6.

Härtebereich mittel: 1,5 bis 2,5 Millimol Calciumcarbonat je Liter (entspricht 8,4 bis 14 °dH) Härtebereich hart: mehr als 2,5 Millimol Calciumcarbonat je Liter (entspricht mehr als 14 °dH)

Die Wasserversorgungsunternehmen sind verpflichtet, dem Verbraucher den Härtebereich mindestens einmal jährlich in Form von Aufklebern oder in einer ähnlich wirksamen Weise (z. B. Veröffentlichung in der Regional- presse, Aufdruck auf Wasserrechnung, Einstellung der Informationen auf der Internetseite des Wasserversor- gungsunternehmens, Flyer) mitzuteilen. Nach EG-Detergenzienverordnung sind die Waschmittelhersteller verpflichtet, ihre Dosierungsempfehlungen auf diese Härtebereiche zu beziehen.

Für den Versuch sollte man das Leitungswasser vor der Verwendung einige Minuten ablaufen lassen, da sich im stehenden Wasser – vor allem selten genutzter Wasserhähne – zweiwertige Ionen angereichert haben können. Die Konzentration von Titriplex^® B ist so eingestellt, dass 1 ml Lösungsverbrauch 1 °dH entspricht, vorausgesetzt, man untersucht 100 ml Leitungswasser. Der Farbumschlag erfolgt nach blau-grün.

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Versuch 1: Phosphatnachweis in Blumendünger

Geräte und Materialien Chemikalien

Reagenzgläser Reagenzglasständer Spatel

Tropfpipetten

destilliertes Wasser

Natriumhydrogenphosphat Flüssigdünger

konzentrierte Salpetersäure Ammoniummolybdat Ascorbinsäure Sicherheitshinweis

Schutzbrille

Entsorgung: Die Lösungen im Behälter für giftige anorganische Stoffe sammeln!

Versuchsanleitung A. Blindprobe

1. Löse in einem Reagenzglas eine Spatelspitze Natriumhydrogenphosphat in ca. 3 ml destilliertem Wasser.

2. Füge 1 ml konzentrierte Salpetersäure hinzu.

3. Gib eine Spatelspitze Ammoniummolybdat hinzu.

Was passiert? Notiere deine Beobachtung.

4. Gib anschließend eine Spatelspitze Ascorbinsäure hinzu und beobachte die Lösung.

B. Nachweis von Phosphat in Flüssigdünger

5. Tropfe ca. 1 ml Flüssigdünger in das zweite Reagenzglas und verdünne mit ca. 2 ml destilliertem Wasser.

6. Füge 1 ml konzentrierte Salpetersäure hinzu.

7. Gib eine Spatelspitze Ammoniummolybdat hinzu. Was passiert? Notiere deine Beobachtung.

8. Gib anschließend eine Spatelspitze Ascorbinsäure hinzu und beobachte die Lösung.

Aufgaben

1. Recherchiere: Was ist eine Blindprobe?

2. Lies die folgende Pressemitteilung, die die Europäische Kommission am 14.12.2011 veröffentlichte.

Recherchiere anschließend: Warum ist ein übermäßiger Phosphateintrag in Gewässer schädlich?

Europäische Kommission – Pressemitteilung

Europäisches Parlament unterstützt Verbot von Phosphaten in Haushaltswaschmitteln

Brüssel, 14. Dezember 2011. Die Europäische Kommission begrüßt, dass das Europäische Parlament einen Vorschlag angenommen hat, der ein Verbot der Verwendung von Phosphaten und eine Beschrän- kung von anderen phosphorhaltigen Verbindungen in Haushaltswaschmitteln ab dem 30. Juni 2013 vorsieht. Bei Maschinengeschirrspülmitteln gelten ab dem 1. Januar 2017 ähnliche Begrenzungen.

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Versuch 2: Phosphatfällung

Becherglas Spatel

destilliertes Wasser

Natriumhydrogenphosphat Eisen(III)-chlorid

Sicherheitshinweis Schutzbrille

Entsorgung: Ausguss

Versuchsanleitung

1. Gib ca. 100 ml destilliertes Wasser in das Becherglas.

2. Füge zwei Spatelspitzen Natriumhydrogenphosphat hinzu. Rühre um.

3. Notiere deine Beobachtungen.

4. Füge nun eine Spatelspitze Eisen(III)-chlorid hinzu.

5. Notiere deine Beobachtungen.

Aufgaben

1. Formuliere die Reaktionsgleichung für die Reaktion von Natriumhydrogenphosphat mit Wasser.

2. Formuliere die Reaktionsgleichung für die Reaktion mit Eisen(III)-chlorid.

3. Warum spielt die Reaktion von Phosphaten mit Eisen(III)-chlorid eine wichtige Rolle in Klärwerken?

Recherchiere die Hauptphosphatquellen im Abwasser.

4. An welcher Stelle im Ablaufschema (S. 5) findet die oben genannte Reaktion statt?

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Abwasserpumpwerk Rechenanlage Sandfang

앬 Beförderung des Abwassers zum Klärwerk

앬 Zurückhalten grober

Verunreinigungen

앬 Absetzen grober mineralischer Stoffe

Vorklärbecken

Belebungsbecken Nachklärbecken

앬 Absetzen feinerer Sandpartikel durch langsamere Strömungsge- schwindigkeit, Entfernung der Schwimmstoffe von der Oberfläche

앬 Abbau organischer Stoffe (biologisch) sowie

anorganischer Stoffe (chemisch)

앬 Trennung des Belebtschlamm- wassergemisches durch

Sedimentation

Versuch 2: Phosphatfällung

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Versuch 3: Grundwasserverseuchung durch Dieselkraftstoff

Säule (Durchmesser ca. 3 cm, mind. 25 cm hoch) Stativ und Stativmaterial

Bechergläser (250 ml, hohe Form) Glaswolle

feiner Sand

ca. 100 ml Schmutzwasser (z. B. mit Erde verun- reinigt)

ca. 50 ml Olivenöl

Sicherheitshinweis

Dieselkraftstoff ist giftig und wird daher durch Olivenöl ersetzt.

Entsorgung: Die Versuchsreste können in den Ausguss bzw. in den Müll entsorgt werden.

1. Stopfe die Säule mit einer ca. 2 cm dicken Schicht Glaswolle und schichte darauf mindestens 10 cm feinen Sand (siehe Abbildung).

2. Spüle die Säule mit mindestens 250 ml Leitungswasser, das du anschließend verwirfst.

3. Gib nun die Hälfte (ca. 50 ml) deines vorbereiteten Schmutz- wassers auf die Säule und fange das Wasser im Becherglas auf.

4. Notiere: Wie sieht das Filtrat aus?

5. Gib nun das Olivenöl auf die Säule und spüle mit dem Rest des Schmutzwassers (ungefähr 50 ml) nach.

6. Notiere: Wo befindet sich das Öl?

Aufgaben

1. Wie wird im Klärwerk Sand entfernt? An welcher Stelle im Schema (S. 5) findet dieser Schritt statt?

2. Wie wird im Klärwerk Öl/Diesel entfernt? Welche physikalische Eigenschaft dieser Verunreinigungen wird dabei ausgenutzt?

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Versuch 4: Ölreinigung durch Bindemittel

Bechergläser Spatel Glasstab

Filter und -papier

ca. 10 ml Olivenöl (statt Dieselkraftstoff) Leitungswasser

Polyurethanschaum Aktivkohle

Sicherheitshinweis

Dieselkraftstoff ist giftig und wird daher durch Olivenöl ersetzt.

Entsorgung: Hausmüll bzw. Abfluss

A. Entfernung größerer Ölmengen

1. Fülle das Becherglas ungefähr zur Hälfte mit Wasser.

2. Gib knapp 10 ml Öl hinzu und warte, bis sich eine deutliche Schicht gebildet hat.

3. Schneide aus dem Polyurethanblock einen Block aus, der ungefähr ins Glas passt und drücke den Block vorsichtig ins Glas.

4. Warte ungefähr zwei Minuten und ziehe den Block vorsichtig aus dem Glas.

5. Nimm eine sensorische Prüfung vor: Ist noch Öl enthalten? Notiere deine Beobachtungen.

B. Entfernung kleinerer Ölmengen

6. Gieße ungefähr die Hälfte deiner Mischung vom ersten Versuchsteil ab (Ausguss).

7. Versetze den Rest mit ca. 2 Spatelspitzen Aktivkohle und rühre die Mischung ungefähr eine Minute mit einem Glasstab.

8. Filtriere in ein weiteres Becherglas.

9. Prüfe den Geruch des Filtrats. Falls du das Öl noch riechen kannst, wiederhole die Zugabe von Aktiv- kohle und prüfe das zweite Filtrat erneut.

Aufgaben

1. Woraus besteht Aktivkohle? Erkläre ihre Anwendung, verwende dabei die Begriffe Adsorption und Oberfläche.

2. Warum wird Aktivkohle auch „medizinische Kohle“ genannt?

3. $ Diesel besteht aus einem Alkangemisch (Kohlenstoffkettenlängen C₁₀–C₂₀), Benzin aus einem Alkan- gemisch der Kohlenstoffkettenlängen C₅–C₁₂. Vergleiche die beiden Gemische bezüglich ihrer Ver- wendung als Kraftstoff.

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Versuch 1: Phosphatnachweis in Blumendünger

1. Blindprobe (auch Vergleichsprobe): Anhand bekannter Chemikalien wird ein Nachweisverfahren durchge- führt, z. B. um die Verwendbarkeit der Chemikalien zu testen.

2. Übermäßiger Phosphateintrag in Gewässer führt zu einem hohen Nährstoffangebot. Dieses löst auf Kos- ten anderer Wasserorganismen ein starkes Algen- wachstum aus. Dieses Phänomen wird „Eutrophie- rung“ oder bisweilen auch einfach „grüne“ oder

„rote Flut“ genannt. Phosphate gelangen in erster Linie durch Landwirtschaft und Abwässer in Ober- flächengewässer, an dritter Stelle folgen Waschmittel.

(Quelle: Pressemitteilung der Europäischen Kommis- sion vom 14.12.2011)

3. Haupteintragsquelle ist die Landwirtschaft (Dünge- mittel), dann andere Reinigungsmittel.

Versuch 2: Phosphatfällung 1. Na₂HPO₄ + H₂O

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⇌

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3. Die Reaktion wird in Klärwerken zur Ausfällung der Phosphateinträge genutzt.

4. Die Reaktion findet im Belebungsbecken statt.

Versuch 3: Grundwasserverseuchung durch Diesel- kraftstoff

1. Sand setzt sich im Sandfang und im Vorklärbecken ab.

2. Diesel setzt sich im Vorklärbecken ab. Ausgenutzt wird das geringere spezifische Gewicht im Vergleich zum Wasser (Diesel steigt an die Oberfläche).

Versuch 4: Ölreinigung durch Bindemittel

1. Aktivkohlen sind durch Erhitzen organischer Stoffe dargestellte Holzkohlen, die aufgrund ihrer großen Oberfläche feinste Verunreinigungen durch Adsorp- tion aus Flüssigkeiten oder Gasen herausfiltern kön- nen. Je größer die Oberfläche, desto mehr Verunreini- gungen können von der Aktivkohle adsorbiert werden.

2. Aktivkohle wird in der Medizin z. B. dazu verwendet, Giftstoffe aus dem Magen-Darm-Bereich zu filtern.

3. Siede- und Schmelztemperatur homologer Alkane steigen mit ihrer Kohlenstoffkettenlänge, d. h. Diesel- kraftstoff hat eine höhere Schmelztemperatur als Benzin. Diesel wird daher mit Zusatzstoffen versetzt, um zu verhindern, dass es bei niedrigen Außentempe- raturen im Autotank ausflockt.

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Das Werk als Ganzes sowie in seinen Teilen unterliegt dem deutschen Urheberrecht. Der Erwerber des Werkes ist berech gt, das Werk als Ganzes oder in seinen Teilen für den eigenen Gebrauch und den Einsatz im Unterricht zu nutzen. Die Nutzung ist nur für den genannten Zweck gesta et, nicht jedoch für einen weiteren kommerziellen Gebrauch, für die Weiterleitung an Dri e oder für die Veröﬀ entlichung im Internet oder in Intranets. Eine über den genannten Zweck hinausgehende Nutzung bedarf in jedem Fall der vorherigen schri lichen Zus mmung des Verlages.

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Bildquellen

S. 3 Europäische Kommission (Auszug aus Pressemitteilung)

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