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Angepasstheit von Lebewesen an die Salzkonzentration

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Angepasstheit von Lebewesen an die Salzkonzentration im Wattenmeer

Mechanismen zur Regulierung des Salzhaushaltes

Das Thema Wattenmeer bietet die Möglichkeit, die Tier- und Pflanzenwelt ausgehend von den äußeren unbelebten Bedingungen zu erforschen. Die folgenden Informationen sollen aufzeigen, wie man ausgehend von diesen äußeren Bedingungen gezielt exemplarische Tiere und Pflanzen kennen lernen kann. Es wird nicht der Ansatz verfolgt, dass man „einfach“ ins Ökosystem Wattenmeer geht und schaut, welche Tiere dort wie leben. Bei diesem Ansatz werden zunächst die äußeren Bedingungen im Wattenmeer (insbesondere der Salzgehalt) in den Mittelpunkt gestellt, um dann die Lebensweise und Angepasstheit von Lebewesen an diese Bedingungen zu thematisieren. Der Fokus wird nicht alleine auf eine rein biologische Betrachtung der Lebewesen gelegt, sondern die Verknüpfung der unbelebten (chemischen) und der belebten (biologischen) Faktoren ist sehr wichtig. Es soll deutlich werden, dass die Biologie, Chemie und Physik keine Gegensätze sind, sondern dass sie zusammengehören und thematisch verknüpft sind. Die Frage, warum Tiere an einer bestimmten Stelle leben, hängt nämlich immer auch von den unbelebten äußeren Faktoren ab. A) Pflanzen Pflanzen sind im Wattenmeer extremen Bedingungen ausgesetzt: 1.mechanische Belastung durch Wellenschlag; 2. starker Wechsel des Wasserstandes; 3.relativ hohe Salzkonzentration des Meerwassers.

Im Folgenden wird die relativ hohe Salzkonzentration des Meerwassers thematisiert, da bei den Untersuchungen die Eigenschaften des Meerwassers im Mittelpunkt stehen. Pflanzen, die nicht an die Salzkonzentration des Meerwassers angepasst sind, „welken“ schnell. Durch das Stehen in einer Salzlösung mit relativ hoher Salzkonzentration wird die Wasseraufnahme der Pflanze stark vermindert bzw. unterbunden und der Pflanze wird Wasser entzogen. Der Wassergehalt in der Pflanze nimmt also ab, so dass der (Wasser-) Druck in den Pflanzenzellen sinkt. Dies wird in der Schlaffheit der Stängel sichtbar [1]: Die Pflanze „welkt“. Dies ist ein Effekt der Osmose[2]. Je höher die Salzkonzentration ist, desto schneller wird dieser Prozess sichtbar. Einfache Versuche mit Löwenzahnstängeln bzw. Schnittlauch (Versuche „Wirkung von Salzwasser auf Pflanzen“) zeigen das Phänomen.

Mit diesen Versuchen kann man einerseits mit nicht angepassten Pflanzen Salz- und Leitungswasser unterscheiden. Andererseits kann deutlich werden, dass nicht alle Pflanzen in salzhaltigem Wasser wachsen können. Es kann gemeinsam mit den Kindern überlegt werden, was der Grund für das Welken der Pflanzen ist. Der Fokus sollte dabei auf die unterschiedlichen Wasserproben gerichtet werden. Die genauen Prozesse beim Welken einer Pflanze können von Kindern noch nicht verstanden werden. Insbesondere der Vergleich zwischen Leitungs- und Salzwasser leitet zum naturwissenschaftlichen Denken an, da ein Zusammenhang zwischen den Wasserproben und dem „Welken“ gesucht wird. Die Kinder können erkennen, dass nicht angepasste Lebewesen in Salzwasser sterben. Als Erklärung kann man den Wasserverlust der Pflanzen aufgrund des Salzwassers anführen. Es kann evtl. auch die Aussage erarbeitet werden: „Je salzhaltiger das Wasser, desto schneller welkt der Löwenzahnstängel“.

Die Kinder können beim Welken des Stängels in Nordseewasser auch vermuten, dass die Trübung für das Erschlaffen verantwortlich ist. In diesem Fall kann man das Nordseewasser von den Trübstoffen reinigen (siehe Versuche „Reinigung von Meerwasser“) und den Versuch mit dem gereinigtem Meerwasser nochmals durchführen. Da die Stängel im gereinigtem Meerwasser immer noch welken, müssen die Kinder einen anderen Grund suchen.

Wenn sie erfasst haben, dass im Meerwasser Salz (zumindest mehr als in Leitungswasser) enthalten ist und das Salz für das Welken der Pflanzen verantwortlich ist, kann man die Wasserarten näher auf die Salzkonzentration untersuchen. Mit dem Aräometer (Versuch „Dichte – Selbstgebautes Aräometer“) oder dem Verdampfen von gleichen Mengen Meer- und Leitungswasser (Versuch „Salzgehalt der Nordsee“) kann man den Unterschied genauer herausarbeiten und festhalten, dass Meerwasser Salz enthält bzw. dass mehr Salz enthalten ist als in Leitungswasser. Es können also zwei verschiedene Methoden zur Untersuchung des Meerwassers eingeführt werden (ohne dass dabei Pflanzen zu Schaden kommen).

Pflanzen z.B. der Salzwiesen am Wattenmeer sind an die relativ hohe Salzkonzentration des Nordseewassers angepasst. Man nennt sie daher Halophyten (gr. hals, halos = Salz; phytos = Pflanze). Die Halophyten müssen die sie umgebende Salzkonzentration durch Einlagerung entsprechender Substanzen in die Zelle ausgleichen. Daher verlieren sie trotz der hohen Salzkonzentration des Wassers kein Wasser, sondern können noch Wasser aufnehmen. Bei zu hohen Salzkonzentrationen in der Pflanze wirkt das Salz allerdings giftig. Somit muss eine zu hohe Salzkonzentration in der Pflanze verhindert werden. Im Laufe der Zeit haben sich unterschiedliche Strategien bei Pflanzen entwickelt, um den „Salzstress“ zu überleben. Bei den meisten Pflanzen findet man mehrere Strategien zur Verringerung der Salzkonzentration in der Pflanze, eine ist aber oft am stärksten ausgeprägt (siehe Tab. 1).

Prinzip

Beschreibung

Beispiel

Ausschlussprinzip

Auch als „Salzfiltration“ bezeichnet. Die Aufnahme von Salz über die Wurzel wird eingeschränkt.

Andelgras, Strandflieder

Ausscheidung von Salz z.B. durch Haare und Drüsen.

Das Salz wird aktiv ausgeschieden. Dabei muss Energie aufgewendet werden.

Strandflieder, Schlickgras: Salzausscheidung durch Drüsen, so dass bei trockenem Wetter Salzkristalle auf den Blattoberflächen zu erkennen sind.

Abwerfen von salzangereicherten Pflanzenteilen

In die ältesten Blätter wird das Salz angereichert. Sie werden dann abgeworfen. Neue Blätter ersetzen die alten wieder.

Strandwegerich: Abwurf von alten Blättern
Portulak-Keilmelde: Salzausscheidung in Blasenhaare, die dann abgeworfen werden.

Verdünnung in der Pflanze (Sukkulenz)

Das Salz wird über die gesamte Pflanze verteilt. Durch die Aufnahme von viel Wasser wird die Salzlösung verdünnt. Die Pflanzen haben fleischig verdickte Sprosse und Blätter.

Queller: Wenn man die Spitzen des Quellers probiert, schmecken sie salzig.

Tab. 1: Anpassungsmechanismen von Salzpflanzen

Die meisten Salzpflanzen wachsen auf Böden mit niedriger Salzkonzentration genauso gut wie auf Böden mit höherer Salzkonzentration. Durch die Anpassungsmechanismen sind sie aber anderen Pflanzen an salzhaltigen Standorten überlegen. An Orten niedriger Salzkonzentration hingegen sind die Salzpflanzen den anderen Arten unterlegen. Einige wenige Pflanzen wie z.B. der Queller wachsen auf salzhaltigeren Böden tatsächlich besser als auf salzärmeren. Insbesondere beim Strandflieder und beim Queller kann man deren Angepasstheit an die relativ hohe Salzkonzentration leicht direkt beobachten [3]. Zunächst welken sie in Nordseewasser nicht. Außerdem kann das im Queller enthaltene Salz durch Schmecken erfahrbar gemacht werden. Er hat keine Blätter, sondern besteht nur aus einem verzweigten Spross, der Wasserspeichergewebe enthält. In diesem Wasserspeichergewebe wird das kontinuierlich aufgenommene Salz mit Wasser soweit verdünnt, dass es für den Queller nicht mehr giftig wirkt. Durch die Speicherung von großen Wassermengen sieht der Spross fleischig und verdickt aus (Beispielbild siehe [4]).

Beim Strandflieder (Beispielbild siehe[5]) kann man schon nach drei Stunden in Nordseewasser an den Blattoberflächen Salzkristalle beobachten, die der Form der Kochsalzkristalle gleichen. Er nimmt salzhaltiges Meerwasser auf und scheidet Salz über Drüsen aktiv aus, so dass eine giftige Salzkonzentration in der Pflanze nicht erreicht wird (Pro Quadratzentimeter Blattoberfläche hat der Strandflieder bis zu 800 Salzdrüsen!!!). Diesen Prozess der Salzausscheidung kann man mit dem Trennverfahren der Verdunstung von Salzwasser (siehe Versuch „Reinigung von Meerwasser – Verdunsten und Verdampfen“) vergleichen. Die Tatsache, dass der Strandflieder die konzentrierte Salzlösung aktiv ausscheidet, sollte an dieser Stelle didaktisch reduziert werden. Direkt vergleichbar ist die Verdunstung des Wassers auf der Blattoberfläche, so dass Salz zurück bleibt. Man kann somit das Phänomen bei der Pflanze mit technischen Prozessen in Beziehung setzen (siehe Versuche Salzgewinnung I + II).

Mit der Betrachtung des Strandflieders werden die schon bekannten Konzepte „Stoffe bleiben erhalten“ und „Stoffgemische können getrennt werden“ angesprochen: Das im Wasser gelöste Salz wird in die Pflanze aufgenommen und wieder als Salzkristalle auf der Blattoberfläche sichtbar. Beim Queller wird das in den Pflanzenzellen angereicherte Salz durch die Geschmacksprobe erfahrbar (Konzept „Stoffe bleiben erhalten“). Dadurch wird deutlich, dass Salz tatsächlich aus dem Meerwasser in die Pflanze aufgenommen wird. Als neues (biologisches) Konzept kommt nun hinzu, dass Lebewesen (in diesem Fall Pflanzen) an ihren Lebensraum angepasst sind. Der direkte Vergleich zwischen den Experimenten mit dem Löwenzahn und den Salzpflanzen in Salzwasser sowie die direkt beobachtbaren Anpassungsmechanismen machen dies deutlich.


[1] Den gleichen Effekt kann man beobachten, wenn man Pflanzen überdüngt. Pflanzendünger enthält verschiedene Salze. Wenn man zuviel düngt, erhöht sich die Salzkonzentration im Boden stark und es laufen die gleichen Vorgänge wie beim Stehen einer Pflanze im Meerwasser ab, so dass die Pflanze welkt.

[2] Vertiefte Informationen zur Osmose beim Versuch „Wirkung von Salzwasser auf Pflanzen“.

[3] Versuche mit Halophyten sind in der Schule problematisch, da einige Halophyten auf der roten Liste stehen und daher für die Schule nicht verwendet werden dürfen. Außerdem stehen Salzwiesen, in denen die Pflanzen wachsen, meist unter Naturschutz, so dass diese nicht betreten werden und dort keine Pflanzen gepflückt werden dürfen. Es besteht aber die Möglichkeit, an außerschulischen Lernorten (z.B. das Wattenmeerhaus, andere Nationalparkzentren usw.) diese Pflanzen zu beobachten und kennen zu lernen.

[4] Beispielbild Salicornia_europaea.jpg aus der freien Mediendatenbank Commons steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. Der Urheber des Bildes ist M. Buschmann.

[5]Beispielbild Limonium_vulgare.jpg aus der freien Mediendatenbank Commons steht unter der Creative Commons-Lizenz Attribution ShareAlike 2.0 Deutschland. Der Urheber des Bildes ist Hendrik Staender.

Unterscheidung von Salz-, Meer- und Leitungswasser
Wirkung von Salzwasser auf Pflanzen

Geräte und Stoffe

  • 1 Glas (ca. 500mL)
  • 3 kleine Gläschen
  • Teelöffel
  • Kochsalz (Natriumchlorid)
  • Leitungswasser
  • Meerwasser
  • Löwenzahnblüten (im Winter: z.B. Melissen aus dem Kräutertopf im Supermarkt)

Durchführung

In einem 500 mL Glas wird eine gesättigte Kochsalzlösung mit Bodensatz hergestellt (siehe Versuch „Salzwasser“ S. 2 mind. 180 g Kochsalz auf 500 mL) und davon etwas in ein kleines Gläschen dekantiert. In diese gesättigte Kochsalzlösung wird eine Löwenzahnblüte gestellt. Eine zweite Blüte wird in ein Glas mit Leitungswasser gestellt und eine dritte in ein Glas mit Meerwasser (evtl. Herstellung nach Labortag Versuch „Meerwasser herstellen“). Die Blüten sollten alle möglichst gleich lang sein. Außerdem sollte man von den jeweiligen Wasserproben so viel zur Verfügung, dass man sie (evtl. in Schülerversuchen) weiter untersuchen bzw. reinigen kann.
Freilandversuch:
Ein halber Teelöffel Salz wird auf eine feuchte Stelle mit Gras zwischen Pflastersteinen gegeben. Ein Glas wird darüber gestellt und beobachtet.

Beobachtung

Nach ca. 10 Minuten neigt sich die Löwenzahnblüte in einer gesättigten Salzwasserlösung zur Seite, bei der im Leitungswasser hingegen ist keine Veränderung zu beobachtenAngepasstheit von Lebewesen an die Salzkonzentration. Die Blüte im Meerwasser neigt sich nach ca. 30 Minuten zur Seite. Der Bereich des Stängels, der im Salzwasser stand, sieht nicht mehr rund, sondern platt aus.
Freilandversuch:
Das Gras zwischen den Pflasterritzen neigt sich ebenfalls zur Seite.

Erklärung

Durch das Stehen in einer gesättigten Salzlösung nimmt der Wassergehalt in der Pflanze ab, so dass der (Wasser-)Druck in den Pflanzenzellen sinkt. Dies wird in der Schlaffheit der Stängel sichtbar, die Pflanze „welkt“. Insbesondere der Bereich des Stängels, der direkt im Salzwasser steht, verliert Wasser. Dies ist ein Effekt der Osmose (siehe unten). Je höher die Salzkonzentration ist, desto schneller wird dieser Prozess sichtbar.

Anmerkung

Die Kinder können beim Welken des Stängels in Nordseewasser auch vermuten, dass die Trübung für das Erschlaffen verantwortlich ist. In diesem Fall kann man das Nordseewasser von den Trübstoffen reinigen (siehe Versuche „Reinigung von Meerwasser“) und den Versuch mit dem gereinigtem (Salz-)wasser nochmals durchführen. Da die Stängel im gereinigtem Meerwasser immer noch welken, müssen die Kinder einen anderen Grund suchen. Gießt man eine Pflanze längere Zeit nicht, so werden Blätter und Stängel ebenfalls aufgrund des Wassermangels schlaff. Der sichtbare Effekt ist der gleiche wie im Salzwasser. Im Salzwasser „verdurstet“ die Pflanze, da sie nicht genügend Wasser aufnehmen kann bzw. sogar Wasser verliert.
Vertiefte Informationen:
Verantwortlich für den Wasserverlust der Pflanzen ist die Osmose: Sind zwei unterschiedlich konzentrierte Lösungen (z.B. Salzlösungen) durch eine selektiv durchlässige Membran [7] getrennt, kann in diesem Fall das Salz im Gegensatz zum Wasser nicht hindurch. Es findet ein beidseitiger Austausch des Lösungsmittels (Wasser) statt, bis auf beiden Seiten der Membran die gleiche Konzentration vorliegt. Der Konzentrationsunterschied ist dann ausgeglichen.[8]
Die Osmose kann in der Grundschule nicht thematisiert werden, da dafür abstrakte Denkoperationen notwendig sind und die inhaltlichen Grundlagen fehlen. Die Kinder können aber erkennen, dass nicht angepasste Lebewesen in Salzwasser bzw. bei Aufnahme von Salzwasser sterben. Als Erklärung kann man den Wasserverlust der Lebewesen aufgrund des Salzwassers anführen (Salzwasser entzieht der Pflanze Wasser). Das Lebewesen in Salzwasser „verdursten“ ist mit Sicherheit schwer verständlich. Der Wasserverlust ist nämlich (z.B. bei den Pflanzen) nicht direkt sichtbar, lediglich der platte Stängel des Löwenzahns in der Salzlösung ist ein Hinweis darauf. Die genaue Betrachtung dieses Phänomens und der Vergleich des „Welkens“ bei Trockenheit und in Salzwasser zeigt den Wasserverlust der Pflanze in Salzwasser auf. Dies kann die Grundlagen für ein späteres Verständnis der Osmose legen

Konzepte

Lebewesen sind an ihren Lebensraum angepasst.

[7] Eine selektiv durchlässige Membran lässt bestimmte Stoffe hindurch bzw. bestimmte Stoffe werden zurückgehalten. Alle Zellmembranen, die Zellen in Lebewesen umgeben, sind selektiv durchlässig.

[8] Die Osmose ist ein sehr grundlegender Prozess, der für viele Phänomene in der Natur verantwortlich ist. Zum Beispiel platzen Kirschen bei Regen, da sie im Innern eine hohe Zuckerkonzentration haben. Wenn es regnet, gelangt Regenwasser auf die Kirschen. Regenwasser hat eine niedrigere Zuckerkonzentration als das Wasser im Innern der Kirsche. Daher strömt Wasser in die Kirschen ein. Irgendwann ist soviel Wasser eingeströmt, dass die Haut der Kirschen platzt.

Dichte
Selbstgebautes Arämeter

Geräte und Stoffe

  • Trinkhalm mit Knick
  • Knete (Farbe darf nicht in Wasser löslich sein) oder Fensterkitt
  • 3 hohe Gläser (z.B. schmale Blumenvasen oder Spargelgläser)
  • Edding
  • Wasserproben aus dem Versuch „Wirkung von Salzwasser auf Pflanzen“

Durchführung

Ein Klümpchen Knete wird durchgeknetet, so dass es schön weich ist. Dann wird eine möglichst runde Kugel geformt (Durchmesser bei einem 24 cm langen Strohhalm: ca. 2 cm; Masse der Knetkugel: ca. 5,3g), die auf die lange Seite des Halms gesteckt wird. Man muss darauf achten, dass die Knete fest anliegt, so dass kein Wasser in den Halm gelangen kann. Man prüft, ob das Aräometer in Wasser schwebt, so dass sich die Knetkugel im unteren Drittel befindet. Ggf. muss man die Kugel etwas kleiner oder größer machen. Ein Glas wird randvoll mit Wasser befüllt (dann können Kinder leichter die Markierung zeichnen) und der Halm mit der Knete nach unten hinein gestellt. Mit dem Edding wird die Wasserhöhe auf dem Halm markiert. Das Aräometer ist nun kalibriert.
Nun gibt man das Aräometer in die verschiedenen Wasserproben, beobachtet die Lage der anfänglichen Markierung und markiert mit andersfarbigen, wasserfesten Stiften die jeweiligen Eintauchtiefe.

Beobachtung

In der Leitungswasserprobe aus dem Versuch „Wirkung von Salzwasser auf Pflanzen“ stimmt die Markierung mit der Schwimmhöhe überein. In der Meerwasserprobe liegt die Markierung etwas über dem Wasser und bei der gesättigten Salzlösungprobe liegt die Markierung noch weiter über dem Wasser.
Je höher die Konzentration des Salzes im Wasser ist, desto weniger tief taucht das selbst gebaute Aräometer ein.

Erklärung

Die Dichte einer Flüssigkeit kann man ganz einfach mit einem Röhrchen messen, das an einem Ende ein Gewicht trägt und damit aufrecht schwimmen kann. In einer Flüssigkeit mit einer niedrigen Dichte sinkt es tiefer ein als in einer Flüssigkeit mit einer hohen Dichte. Die Schwimmhöhe eines Aräometers wird normalerweise mit der in reinem Wasser verglichen, so dass man ein Maß bekommt. Man bezeichnet dies als kalibrieren. In Salzwasser liegt die Marke auf dem Halm über der Wasseroberfläche, da das Salzwasser eine höhere Dichte als Leitungswasser hat. Je höher die Konzentration des Salzwassers ist, desto höher ist die Dichte und desto weniger tief taucht das selbstgebaute Aräometer ein. Dadurch kann man die Wasserproben aus dem Versuch „Wirkung von Salzwasser auf Pflanzen“ unterscheiden.

Anmerkung

Es ist recht schwer, genau eine Kugel aus Knete zu formen. Daher kippt das selbstgebaute Aräometer in Wasser leicht um. Durch Ausrichten des oberen Trinkhalmendes am Knick kann dies ausgeglichen werden. Im Übrigen muss man es von der Lerngruppe abhängig machen, ob man den Begriff „Aräometer“ benutzt oder als Alternative z.B. „Forschungstaucher“. Für einige Kinder kann es motivierend sein, einen abstrakten Fachbegriff zu erlernen und aussprechen zu können. Für andere ist der Begriff „Forschungstaucher“ greifbarer, da mit dem Wort direkt die Funktion verknüpft ist. Der beschriebene Versuch legt den Fokus auf die qualitative Untersuchung bzw. Unterscheidung der Wasserproben („Diese Wasserprobe ist Leitungswasser. Diese Wasserprobe enthält Salz. Meerwasser enthält mehr Salz als Leitungswasser. Die gesättigte Salzlösung enthält mehr Salz als Meerwasser.“). Man kann das Aräometer auch in der Grundschule für halbquantitative Untersuchungen einsetzen („Wie viel Salz ist in dem Wasser gelöst?“). So kann man mit dem Aräometer eine Salzlösung herstellen, die den gleichen Salzgehalt wie das Meerwasser aufweist (siehe Versuch Selbstgebautes Aräometer – Herstellung von Meerwasser).

Konzepte

Stoffe haben Eigenschaften (Dichte).


Dichte
Selbstgebautes Aräometer - Herstellung von Meerwasser

Geräte und Stoffe

  • selbstgebautes Aräometer
  • Meerwasserprobe
  • Meersalz
  • Löffel
  • 2 hohe Gläser (z.B. schmale Blumenvasen oder Spargelgläser); noch besser sind ein Messbecher oder Messzylinder, damit man das Volumen des Wassers ablesen kann
  • wasserfester Stift

Durchführung

Mit dem selbstgebauten Aräometer kann man herausfinden, wie viel Salz in einem bestimmten Volumen [9]) Meerwasser gelöst ist. Dazu markiert man die Eintauchtiefe des Aräometers in einer Probe Meerwasser. Dann taucht man das Aräometer in einem bestimmten Volumen Leitungswasser und gibt soviel Meersalz hinzu bis die Markierung des Aräometers erreicht ist. Die zugegebene Menge Salz (z.B. in gestrichenen Teelöffeln, abgestrichene Kronkorken etc. [10] wird notiert und das Wasservolumen wird abgelesen. So kann man zu einer Aussage kommen wie: „In 50 mL Meerwasser sind X gestrichene Teelöffel Meersalz gelöst“.

Beobachtung + Erklärung

Siehe Versuch „Dichte – Selbstgebautes Aräometer“.
Das Aräometer weist die gleiche Eintauchtiefe auf, wenn die Dichte der hergestellten Salzlösung und des Originalmeerwassers identisch sind. Dies ist der Fall, wenn die Salzkonzentration in beiden Lösungen gleich ist.

Anmerkung

Als Einstieg zu diesem Versuch kann man die Aufgabe stellen, dass man Meerwasser für ein Aquarium herstellen muss. Dies ist z.B. im Wattenmeerhaus oder auch für Heimaquarien notwendig, da man aufgrund der Keime und Verunreinigungen kein Originalmeerwasser benutzt.
Da Meerwasser viele verschiedene Salze enthält, ist es besser, Meersalz zu verwenden und kein Kochsalz (siehe Labortag „Meerwasser herstellen“).

Konzepte

Stoffe haben Eigenschaften (Dichte).


[9] Alternative Bezeichnung für Volumen: Raum

[10] Man kann natürlich auch die Masse notieren. Dazu braucht man allerdings eine Waage und Kinder können mit einfachen Größen besser umgehen.



Geräte und Stoffe

  • Wasserproben aus dem Versuch „Wirkung von Salzwasser auf Pflanzen“ (Nordseewasser; gesättigte Kochsalzlösung; Leitungswasser)
  • leere Teelichtschalen
  • schwarze Alufolie
  • Heizplatte (Sektdrahtgestell und Teelicht)
  • Handschuhe (Topflappen)
  • Edding

Durchführung

Die Teelichtschalen können mit schwarzer Alufolie verkleidet werden, damit man das Salz nach dem Verdampfen des Wassers besser erkennen kann. Man sieht den Effekt aber auch ohne die schwarze Alufolie. Die jeweils gleiche Menge der drei Wasserproben aus dem Versuch „Wirkung von Salzwasser auf Pflanzen“ wird jeweils in eine leere TeelichtschaleBild gegeben. (Also wird eine Schale zur Hälfte mit gesättigter Kochsalzlösung befüllt, eine mit der gleichen Menge Leitungswasser und die letzte ebenfalls mit der gleichen Menge Nordseewasser). Am besten werden die Teelichter z.B. mit einem Edding markiert, damit man sie den eingefüllten Proben zuordnen kann. Das Wasser in den Teelichtschalen wird so lange auf der Heizplatte erwärmt, bis das Wasser verdampft ist. Alternativ können die Teelichtschalen auch auf ein Sektdrahtgestell (siehe Abb.) gestellt werden, unter dem ein Teelicht entzündet wird [11]. Dann sollte man aber nur den Boden der Teelichtschalen mit der jeweiligen Wasserprobe bedecken, da das Verdampfen des Wassers sonst sehr lange dauern kann.

Beobachtung

In der Teelichtschale mit gesättigter Kochsalzlösung bleibt wesentlich mehr Salz zurück als in der Nordseewasserprobe. In der Schale mit Nordseewasser erkennt man nur einige wenige Salzkristalle. In der Schale mit Leitungswasser beobachtet man keine Kristalle, sondern nur „Ränder“.

Erklärung

Das Wasser wird gasförmig, wenn es erhitzt wird. Das im Wasser gelöste Salz bleibt zurück. Auf der schwarzen Alufolie kann man die wenigen Salzkristalle erkennen, was in einer glänzenden Teelichtschale schwieriger ist. In der mittleren Nordsee befinden sich ca. 35 g Salz pro Liter. Im Wattenmeer liegt die Konzentration zwischen 29-30 g/L, wobei der Salzgehalt aufgrund von Trockenliegezeit, Sonneneinstrahlung, Wind, Luftfeuchtigkeit usw. bis zu 10% schwanken kann. Diese Konzentrationen sind im Vergleich mit einer gesättig-ten Kochsalzlösung (360 g/L bei 25°C) sehr gering. Das „Süßwasser“ aus dem Wasserhahn enthält auch Salze. Allerdings ist die Salzkonzentration so gering, dass das Wasser nicht salzig schmeckt. Wasser, das weniger als ein Gramm Salz pro Liter Wasser enthält, wird Süßwasser genannt.

Anmerkung

Sollte mehr Zeit zur Verfügung stehen, kann man das Wasser auch langsam auf der Fensterbank verdunsten lassen.

Konzepte

Stoffgemische können getrennt werden.
Stoffe bleiben erhalten.
(Aggregatzustände)


[11] Nach einer Idee nach Obendrauf, V. (2005): Peroxide is suicide bomber’s weapon of choice... In: Chemie & Schule 20/2005/3, S. 3.



Salzgewinnung I ...
... in Salinen

Geräte und Stoffe

  • Glas (200 mL) mit z.B. Meerwasser
  • 2 breite Glasschalen (z.B. Weckglasdeckel oder Marmeladenglasdeckel, der mit schwarzer Alufolie verkleidet ist)
  • Meerwasser (oder Wasser mit entsprechender Salzkonzentration; 1 Teelöffel =ca. 3,6g pro 100 mL)
  • Kochsalz
  • Leitungswasser

Durchführung

In die Schale wird gereinigtes Meerwasser gefüllt, so dass der Boden gerade bedeckt ist. Dann wird sie an einen warmen Ort, z.B. auf einer Fensterbank in die Sonne oder auf die Heizung gestellt. Am besten legt man eine schwarze Pappe unter.
Zusatzversuche:
Dieser Versuch kann auch genauso mit unterschiedlich konzentrierten Kochsalzlösungen durchgeführt werden. Gut geeignet sind Lösungen von 15g, 10g, 5g und 2,5g Kochsalz in jeweils 50 mL Wasser (1 gestrichener Teelöffel entspricht ungefähr 4 g Kochsalz).

Beobachtung

Das Wasser in der Schale, die an einem warmen Ort steht, verdunstet. Wenn man die Schalen im Sommer nach draußen stellt, kann man bereits nach einer halben Stunde beobachten, wie das Salz in den höher konzentrierten Lösungen auskristallisiert. Beim Meerwasser dauert es am längsten. Nach einem Tag ist in der Regel das Wasser verdunstet und es bleiben sehr schöne würfelige oder flache quadratische Kochsalzkristalle zurück (siehe Abb. 1). Bild Bild

Abb. 1: Kochsalzlösung nach 24 h (links); Meersalzslöung nach 24 h (rechts)

Erklärung

Durch Energiezufuhr wird das flüssige Wasser gasförmig. Das gelöste Salz hingegen bleibt zurück, so dass es vom Wasser getrennt werden kann.
Je mehr Energie zugeführt wird, desto schneller läuft der Übergang von flüssig zu gasför-mig ab. Wenn der Übergang bei Temperaturen unterhalb der Siedetemperatur abläuft, spricht man von Verdunstung. Je nach Temperatur des Standortes der Schale, verdunstet das Wasser demnach unterschiedlich schnell. In der Sonne kann es schon nach wenigen Stunden verdunstet sein, an kühlen Orten dauert es wesentlich länger. Die Verdunstung wird beschleunigt, wenn man eine schwarze Pappe unterlegt, da sie sich schneller erwärmt als z.B. eine weiße Unterlage. Das Salz aus Meerwasser kann etwas anders als das aus Kochsalzlösung aussehen, da es aus verschiedenen Salzen besteht (siehe Versuch „Herstellung von Meerwasser“ am Labortag).

Anmerkung

Dieser Versuch im Kleinen ist ein Modell für große Salzgewinnungsanlagen. Im Süden Europas, in Spanien, Portugal, Griechenland und Italien, aber auch in vielen anderen Ländern gewinnt man Salz durch Verdunsten von Meerwasser. Man nennt solche Anlagen Salinen. Früher gab es sie sogar auf Wangerooge. Bei den Meerwassersalinen wird das Meerwasser in flache Buchten geleitet, die durch Erddämme in quadratische oder rechteckige Felder geteilt sind. Diese Felder nennt man auch Salzgärten. Wenn genügend Meerwasser in die Salzgärten geflossen ist, schließt man die Zuflüsse in den Dämmen. Das Wasser kann nun im Sommer bei Sonne und Wind verdunsten.
Wenn am Rande der Salzgärten die ersten Salzkristalle erscheinen, zieht der Salzbauer sie mit einem Zieheisen (sieht etwa so aus wie ein Rechen) zu kleinen Haufen zusam­men. Sind die Salzgärten eingetrocknet und ist alles Salz gewonnen, kann man er­neut fri­sches Meerwasser in die Salzgärten einleiten. Häufig wird aber nur einmal im Jahr, im September, das Salz „geerntet“.

Konzepte

Stoffgemische können getrennt werden (Verdunsten).
(Aggregatzustände)


Salzgewinnung II ...

... durch Gradieren

Geräte und Stoffe

  • flacher Plastikbecher
  • Teelöffel
  • Isolierband
  • Holzspieße (z.B. Schaschlikspieße)
  • Wäscheklammer (oder Blumendraht)
  • dunkle Papierservietten
  • Lupe
  • Koch-oder Meersalz
  • Leitungswasser

Durchführung

BildEin Holzspieß wird mit einer halben, dunkelfarbigen Papierserviette umhüllt, so dass die Spitze des Spießes frei bleibt (siehe Abb.). Die Serviette wird am Spieß mit Isolierband festgeklebt. Unten wird die Serviette aufgefächert, so dass man eine größere Oberfläche hat.
Man löst zwei Teelöffel Salz in dem Plastikbecher voll Wasser (50-60 mL) unter Rühren völlig auf. Nun stellt man den mit der Papierserviette umhüllten Holzspieß gerade in den nur zur Hälfte mit dem Salzwasser gefüllten Becher. Dabei muss man sich eine geeignete Befestigung für den Holzspieß, zum Beispiel mit einer Wäscheklamme, ausdenken. Die ganze Anordnung stellt man an einen warmen, zugigen Ort.

Beobachtung

Abb. 2Schon nach kurzer Zeit kann man sehen, wie das Wasser die Papierserviette hoch kriecht. Sieht man nach ein bis zwei Stunden wieder nach, kann man erste weiße, kleine Kristalle auf dem dunklen Papier entdecken und ein Glitzern beobachten. Noch besser sind die Kristalle mit einer Lupe und in hellem Licht zu sehen. Nach einem Tag haben sich viele weiße, meistens glänzende Kristalle auf der Papierserviette gebildet (siehe Abb.). Nach zwei bis drei Tagen ist das Papier von einer Art „Salzbaum“ umgeben. Die Salzkristalle lassen sich abkratzen.

Erklärung

Das Salzwasser steigt in der Serviette nach oben. Die Serviette hat eine große Oberfläche, auf der das Wasser verdunstet. Dieser Versuchsaufbau beschleunigt somit das Verfahren des ersten Versuches. Das gelöste Kochsalz bleibt zurück, da es auskristallisiert.

Anmerkung

Salz war in früheren Zeiten ein sehr kostbarer Stoff. In Deutschland gab es aber hier und da stark salzhaltige Quellen, die so genannten Salzsolen. Dort, wo diese Quellen zu Tage traten, entstan­den bereits vor über 1.000 Jahren Salinen, in denen die Sole in großen eisernen Pfannen einge­dampft wurde, bis das Salz zurückblieb.
Um diese Salinen herum entstanden sehr bald Städte, die häufig „Salz“ in ihrem Namen führten wie Salzburg, Salzwedel, Salzuflen oder auch nach dem alten germanischen Stammwort hall für Salz Halle, Hallstadt, Reichenhall, Schwäbisch Hall usw. benannt wurden. Die ersten deutschen Salinenstädte waren Halle (Saale), Werl und Lüneburg, die vor mehr als 1000 Jahren gegründet wurden. Die Städte, die Salzquellen und Salinen besaßen, kamen schnell zu Ansehen und Reich­tum. Lüneburg war eine solche Stadt und den früheren Reichtum sieht man ihr auch heute noch an. Unter der Stadt lagert das Salz in riesigen Salzstöcken. Sie enthalten das Salz, das vor vielen Millionen Jahren in Meeresbuchten eingedunstet war. Quellwasser konnte dieses Salz lösen und trat schließlich als Sole ans Tageslicht. Später als die natürlichen Solequellen nicht mehr aus­reichten, hat man Wasser in die Salzstöcke gepumpt; das Salz löste sich im Wasser und dieses kam als Sole wieder an die Oberfläche.

Für das Eindampfen der Sole wurde sehr viel Holz als Brennmaterial verbraucht. So entstand um die Stadt Lüneburg herum, die ihre Saline über 1000 Jahre lang von 956 bis 1980 betrieb, die im 19. Jahrhundert fast waldlose Lüneburger Heide. Das Lösen des Salzes in den Salzstöcken hatte aber noch andere Folgen: tief unterhalb der Erdoberfläche entstanden Hohlräume, die dann zu Absenkungen des Bodens führten. Dabei erlitten nicht nur Häuser Schäden oder kippten einfach um, sondern auch die Kirchen waren betroffen. So ist der Turm von St. Johannis in Lüneburg ersichtlich schief. Von den drei anderen Hauptkirchen Lüneburgs St. Michaelis, St. Nikolai und St. Lamberti musste letztere, die der Saline am nächsten lag, sogar abgerissen werden, weil sie einzustürzen drohte.

Konzepte

Stoffgemische können getrennt werden (Verdunsten).
(Aggregatzustände)

Angepasstheit von Lebewesen an die Salzkonzentration im Wattenmeer

Mechanismen zur Regulierung des Salzhaushaltes


A) Tiere

Tiere, die im oder am Meer leben, nehmen mit der Nahrung oder aus der Umgebung salzhaltiges Wasser auf. Wenn nicht angepasste Tiere zu viel Salzwasser aufnehmen, verlieren ihre Körperzellen Wasser. Letztendlich „verdursten“ sie. Zum Beispiel kann man einen Süßwasserfisch nicht ins Meerwasser setzen. Verantwortlich für den Wasserverlust in den Zellen ist die Osmose[12]. Sind zwei unterschiedlich konzentrierte Lösungen (z.B. Salzlösungen) durch eine selektiv durchlässige Membran[13] getrennt, kann in diesem Fall das Salz im Gegensatz zum Wasser nicht hindurch. Es findet ein beidseitiger Austausch des Lösungsmittels (Wasser) statt, bis auf beiden Seiten der Membran die gleiche Konzentration vorliegt. Der Konzentrationsunterschied ist dann ausgeglichen. Die Flüssigkeit in den Körperzellen hat eine bestimmte Salzkonzentration, sie ist normalerweise geringer als die von Meerwasser. Wird nun die Zellmembran von außen mit salzigerem Wasser umspült, so strömt Wasser aus der Zelle heraus, anstatt hineinzuströmen. Verlieren die Zellen zuviel Wasser, können sie ihre Funktion nicht mehr erfüllen.
Bei Tieren findet man sehr unterschiedliche Mechanismen zur Bewältigung dieses Problems. Die Körperflüssigkeit der meisten niederen Meeresorganismen enthält die gleiche Salzkonzentration wie das Meerwasser und passt sich an Schwankungen an. Diese Tiere tolerieren diese Salzkonzentrationen im Körper. Bei Tieren, die eine geringere Salzkonzentration im Körper als Meerwasser aufweisen, findet man verschiedene Strategien zur Vermeidung einer tödlicher Salzkonzentration: Zum Beispiel haben einige Vögel (z.B. die Möwen) Drüsen, mit der sie Salz aktiv ausscheiden können, das sie mit der Nahrung aufgenommen haben. Meeresfische haben in den Kiemen spezielle Vorrichtungen, die das Eindringen des Salzes verhindern. Andere Tiere wie z.B. der Seehund nehmen kein Salzwasser auf. Sie schwitzen nicht und brauchen daher wenig Wasser. Sie decken den Wasserbedarf über ihre Nahrung (z.B. Fische bestehen aus 60-80% Wasser; usw.), die Wasser mit einer geringen Salzkonzentration enthalten. Das (die meisten) Meeresfische kein Salzwasser enthalten kann man geschmacklich testen, indem man sie ohne Marinade kocht bzw. brät und probiert.

Tier

Mechanismus zur Tolerierung der relativ hohen Salzkonzentration im Meerwasser

­meisten niederen Organismen

Salzkonzentration im Körper passt sich der Salzkonzentration des Meerwassers an; sie können diese Salzkonzentration vertragen

Möwen

Drüsen am Schnabel zur aktiven Salzausscheidung

meisten Salzwasserfische

Verhinderung des Eindringens von Salz in den Kiemen

Seehunde

keine Salzwasseraufnahme; Deckung des Wasserbedarfs über Nahrung; geringer Wasserverlust, da sie nicht schwitzen

Tab. Überblick über die Angepasstheiten von Tieren an ­die relativ hohe Salzkonzentration im Meerwasser

Auch überlebende Schiffbrüchige berichten immer wieder davon, dass sie ihren Wasserbedarf zum Teil über selbst gefangene Fische gedeckt haben. Beim Trinken von Meerwasser würden Menschen sterben. Der Grund ist der gleiche wie bei den Pflanzen und Tieren (siehe oben). Die Flüssigkeit menschlicher Zellen hat eine bestimmte Salzkonzentration, die geringer als die von Meerwasser ist. Wird nun die Zellmembran von außen mit salzigerem Wasser (aus dem Blut) umspült, so strömt Wasser aus der Zelle heraus, anstatt hineinzuströmen. Letztlich stirbt der Mensch.
Über die Toleranz von Menschen gegenüber Meerwasser wird in den Medien berichtet und die Nazis haben die Wirkung von Salzwasser auf Menschen in grausamen Versuchen getestetAngepasstheit von Lebewesen an die Salzkonzentration[14]. So bestieg im Juli 1952 der 28-jährige Franzose Alain Bombard in Las Palmas auf Gran Canaria ein Schlauchboot, setzte Segel und ließ sich über den Atlantik treiben, um sich nur von Salzwasser und Meerestieren zu ernähren. Die Meinungen über die unglaubliche, erfolgreiche (?) Leistung waren sehr unterschiedlich[15]. In der Literatur wird ebenfalls immer wieder über Schiffbrüchige geschrieben [16]. Diese Geschichten und Berichte eignen sich sehr gut für einen Einstieg, der zu weiteren Überlegungen und Experimenten führen kann. Mit dem Wissen über Trennverfahren und Aggregatzustände können Kinder selber überlegen, wie man auf hoher See Trinkwasser aus Meerwasser gewinnen kann. Selbst erarbeitete Varianten können im Versuch ausprobiert werden, ein Vorschlag zum Demonstrieren oder Nachmachen bietet der Versuch „Gewinnung von Trinkwasser“. Von diesem Versuch ausgehend kann man eine Reihe von technischen Anwendungen betrachten, in denen das gleiche Prinzip in immer größeren Maßstäben angewendet wird. Man kann zunächst Trinkwassergewinnungsanlagen auf Rettungsbojen anschauen, um dann zu großtechnischen Trinkwassergewinnungsanlagen [17] in ariden Gebieten zu kommen. Tiere können diese Möglichkeit nicht nutzen, so dass hier die besondere Bedeutung und Entwicklungsfähigkeit der Naturwissenschaften bzw. der Technik herausgestellt werden kann.


[12] Siehe auch Versuch „Wirkung von Salzwasser auf Pflanzen“.

[13] Eine selektiv durchlässige Membran lässt bestimmte Stoffe hindurch bzw. bestimmte Stoffe werden zurückgehalten. Alle Zellmembranen, die Zellen in Lebewesen umgeben, sind selektiv durchlässig.

[16] Martel, Y. (2004): Schiffbruch mit Tiger. 10. Auflage. Frankfurt: Fischer.

[17] Weitere Informationen über das Prinzip großtechnischer, solarer Meerwasserentsalzungsanlagen und Bilder von realen Anlagen unter http://www.rsdsolar.de/ (16.06.2006).


Geräte und Stoffe

  • 2 große Schalen (Glas/Plastik/Metall, z.B. DanishCookies Dosen)
  • 2 kleine Gläser oder Marmeladendeckel
  • Frischhaltefolie
  • Klebeband/Gummiband
  • 2 Steine
  • weißer Sand oder Blumenerde
  • Meerwasser

Durchführung

BildZunächst wird der Sand mit Meerwasser befeuchtet, so dass er schön feucht ist. Die Schale wird bis zur Hälfte mit Sand gefüllt. In der Mitte gräbt man ein Loch, so dass das Glas sicher hineinge-stellt werden kann (siehe Abb.).
Man kann auch einen Marmeladendeckel auf die Oberfläche legen. Die Plastikfolie wird so über die Glasschale gespannt, dass sie nicht ganz straff ist, aber auch nicht auf dem Boden oder dem Glas aufliegt. Anschließend wird die Folie mit einem Gummiband an der Schale befestigt. Der Stein wird in die Mitte der Folie über das Glas gelegt. Falls keine Tropfen in das Glas fallen, muss die Folie evtl. steiler gespannt werden.
Die Schale wird an einen möglichst warmen, sonnigen Ort gestellt. In bestimmten Abständen sollen die Beobachtungen aufgeschrieben werden. Parallel wird derselbe Versuch ohne Sand durchgeführt.

Beobachtung

Nach kurzer Zeit bilden sich kleine Wassertröpfchen an der Frischhaltefolie, die nach und nach zu größeren Tropfen wachsen. Sie wandern zur Mitte der Folie und tropfen unter dem Stein in das Glas bzw. den Deckel. Dort sammelt sich mit der Zeit mehr und mehr Wasser. Beim Parallelversuch mit Wasser beobachtet man dieselben Phänomene. Es sammelt sich aber in der gleichen Zeit etwas weniger Wasser im Glas bzw. Deckel.

Erklärung

Durch Verdunstung des Wassers aus dem feuchten Sand und Kondensation an der Folie kann reines Wasser gewonnen werden. Das Gewicht des Steins bewirkt, dass das Wasser aufgrund der Erdanziehungskraft zur tiefsten Stelle der Folie fließt. Wenn der Tropfen zu „schwer“ wird, fällt er in das Glas. Die Oberfläche, von der das Wasser verdunsten kann, wird durch Sand vergrößert. Deshalb sammelt sich hier in derselben Zeit mehr Wasser als beim Parallelversuch. Wenn man schwarze Erde verwendet kommt noch der Effekt hinzu, dass sich schwarze Flächen durch Sonneneinstrahlung schneller erwärmen.
Die Verdunstungsgeschwindigkeit ist stark von der Umgebungswärme abhängig. In der prallen Sonne bei hohen Temperaturen bilden sich schneller Kondenstropfen und es sammelt sich in kürzerer Zeit mehr Wasser in dem Glas.
Man erhält im Glas bzw. auf dem Deckel reines Wasser (destilliertes Wasser), das kein Salz und keine anderen Verunreinigungen mehr enthält. Zur Überprüfung kann man das Wasser verdampfen und auf Rückstände überprüfen (siehe Versuch „Wasser erstarren – Anmerkung“ oder „Reinigung von Meerwasser – Verdunsten und Verdampfen“; man kann auch gleich eine leere Teelichtaluschale als Auffangbehälter verwenden, allerdings muss sich dann der tiefste Punkt der Folie genau über der relativ kleinen Öffnung befinden). Lassen sich keine Rückstände beobachten, sind keine Salze im Wasser gelöst gewesen.

Anmerkung

Das hier demonstrierte Prinzip wird auch auf Rettungsinseln verwendet. In einer Rettungsin-sel ist nämlich pro Person nur ½ Liter Trinkwasser beigepackt - das reicht gerade einmal für den ersten Tag, solange der Körper noch Reserven hat.In den Tropen, aber auch schon im Mittelmeer braucht der Körper dagegen wesentlich mehr Wasser. Zur autarken Wassergewinnung werden von Militärfliegern und Expeditionen seit Jahren solare Wassermacher (z.B. SolarStill Solar-Wassermacher) verwendet.
Dieser auch von der NATO zugelassene aufblasbare Wassermacher arbeitet über die durch Sonneneinstrahlung erzeugte Wärme, die das im Gerät befindliche Wasser verdunsten lässt. Das Gerät ist mit einem schwarzen Boden ausgestattet, da sich dieser schneller erwärmt und das Wasser schneller verdunstet (siehe Abb.) [18]Bild
Der Wasserdampf kondensiert auf der Außenhülle und wird in einen separaten Behälter geleitet. Dort kann man bis zu zwei Liter täglich erzeugtes Trinkwasser entnehmen.Durch die schwimmfähige Konstruktion kann das Gerät auf See eingesetzt werden, ist jedoch auch an Land oder auf dem Schiff mit der zu destillierenden Flüssigkeit zu befüllen. Im Notfall, z.B. in der Wüste, auch mit den eigenen Körperflüssigkeiten.
Als Einstieg zum Thema Trinkwassergewinnung bieten sich unterschiedliche Geschichten an. So zum Beispiel wird immer wieder über Schiffbrüchige geschrieben , die auf Rettungsinseln Apparaturen zur Wassergewinnung aus Meerwasser benutzen. Eine andere Möglichkeit bieten autobiografische Berichte von Schiffbrüchigen , in denen sogar Zeichnungen von unterschiedlichen (selbstgebauten) Wassergewinnungsgeräten auftauchen, da diese entscheidend zum Überleben beigetragen haben.

Konzepte

Stoffgemische können getrennt werden (Verdunsten).
Stoffe bleiben erhalten.
Aggregatzustände


Chemzj0g5ie-Wu3geb3/ymaster (chemie@3v5s7uol.deao) (Stand: 07.11.2019)