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Reinigung von Wasser

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Reinigung von Wasser

Sachanalyse
Verunreinigtes Wasser kann man mithilfe unterschiedlicher Trennverfahren reinigen. Zur Abtrennung nutzt man verschiedene Eigenschaften der Verunreinigungen wie z.B. die Größe der Partikel, die Dichte oder die Löslichkeit der Stoffe aus.
Es gibt sehr viele unterschiedliche Trennverfahren, die in der Chemie, im Alltag oder in der Technik eingesetzt werden. Hier werden nur einige Trennverfahren vorgestellt und durchgeführt, die in der Grundschule leicht umzusetzen sind. Die Tabelle gibt eine Übersicht über die in den Versuchen verwendeten Verfahren und deren Erklärungen.  



Trennverfahren Erklärung Beispiele
Sedimentieren  
Partikel, die in einer Flüssigkeit aufgeschwemmt sind, setzen sich bei ruhigem Stehen nach einiger Zeit auf dem Boden ab, wenn sie eine höhere Dichte als Wasser haben. Diesen Vorgang nennt man sedimentieren. Die Ablagerungen am Boden nennt man Bodensatz oder in diesem speziellen Fall Sediment.
Genutzte Eigenschaft: Dichte
-Schlamm im See
-Fruchtfleisch in Fruchtsäften
Dekantieren  
Nach dem Sedimentieren kann man das Verfahren des Dekantierens einsetzen. Es ist ein sehr einfaches, effektives Verfahren zur Trennung des Bodensatzes von der Flüssigkeit, indem die überstehende Flüssigkeit vorsichtig „über die Kante“ gekippt wird. Dabei wird die höhere Dichte des Feststoffes genutzt, der am Boden verbleibt.
Genutzte Eigenschaft: Dichte
-Wein dekantieren
Sieben  
Das Sieben ist ein mechanisches Reinigungsverfahren. Dabei nutzt man die verschiedenen Durchmesser der unterschiedlichen Partikel eines Stoffgemisches aus. Je nach Durchmesser der Öffnungen (=Maschenweite) des Siebes kann man unterschiedliche Partikelgrößen aus dem Gemisch abtrennen. Man kann mit dieser Methode einerseits einen Feststoff von einer Flüssigkeit abtrennen. Man kann aber auch Feststoffpartikel verschiedener Größen voneinander trennen. Wenn man Siebe mit unterschiedlichen Maschenweiten zur Verfügung hat, kann man zunächst die Partikel mit größerem Durchmesser abtrennen, dann die kleineren usw..
Genutzte Eigenschaft: Größe der Partikel
- Nudeln/Salat abtropfen
- Sand sieben
- Teesieb
- Sieben von Mehl
Filtrieren  
Beim Filtrieren wird das gleiche Prinzip wie beim Sieben genutzt, allerdings benutzt man dazu einen Filter. Der Durchmesser der Öffnungen, die man hier Poren nennt, ist wesentlich kleiner als bei einem Sieb. Es können somit kleinere Partikel abgetrennt werden. In der Chemie werden Filter verschiedener Porengrößen verwendet.
Genutzte Eigenschaft: Größe der Partikel
- Kaffee-/Teefilter
- Feinstaubfilter (z.B. bei Dieselautos)
- Staubmaske
Adsorbieren  
Beim Adsorbieren (lat. ad "hinzu" und sorbere "schlucken, schlürfen") bleiben Partikel an der Oberfläche von Feststoffen haften, da sie sich gegenseitig anziehen. Besonders geeignet ist z.B. Aktivkohle. Die Körner der Aktivkohle haben ein verzweigtes Hohlraumsystem, in das sich die Partikel einlagern und an der (entsprechend sehr großen) Oberfläche haften bleiben. Den Aufbau der Aktivkohle kann man modellhaft mit einem Ytongstein vergleichen, der ebenfalls ein verzweigtes Porensystem hat.
Genutzte Eigenschaft: Haftung
-Medizinische Kohle (Aktivkohle) adsorbiert Bakterien, Gift- und Reizstoffe im Magen-Darm-Trakt
-Entfernung von Farbstoffen aus Färbereiabwässern
-Kohlefilter in der Dunstabzugshaube
-Im Wasserfilter sind Aktivkohlefilter
Verdampfen/ Verdunsten  
Dies ist eine typische Möglichkeit, die Bestandteile von Lösungen (z.B. Salzlösung) zu trennen. Durch Energiezufuhr wird das Lösemittel (z.B. das Wasser) bei Siedetemperatur verdampft. Der gelöste Stoff (z.B. Salz) hingegen hat eine höhere Siedetemperatur und bleibt zurück. Wenn die Stofftrennung bei Temperaturen unterhalb der Siedetemperatur abläuft, spricht man von Verdunstung.
Genutzte Eigenschaft: Siedetemperatur
-Herstellen von Salz aus Meerwasser
-Salzkruste auf der Haut nach dem Baden im Meer


Didaktische Anmerkungen:
Die Versuche sollten von Kindern selber durchgeführt werden, damit sie genau beobachten können. Einige Versuche werden sie schon einmal, z.B. im Sandkasten, selber ausprobiert haben. An diese Erfahrungen kann angeknüpft werden.
Die Erarbeitung der fachwissenschaftlichen Grundlagen zum Sedimentieren und Dekantieren ist in der Grundschule schwierig. Das Thema Dichte ist abstrakt und sollte nicht im Rahmen von Stofftrennmethoden eingeführt werden. Falls man die Grundlagen einführen will, sollte man dies in einer eigenen Unterrichtseinheit zur Dichte machen. Die Versuche können aber phänomenologisch ausgewertet werden und zeigen einfache und dennoch wichtige Trennverfahren. Beim Dekantieren ist zu überlegen, ob man das Verfahren „Abgießen“ nennt, damit der Begriff etwas greifbarer wird.
Die Versuche zum Sieben und Filtrieren sind den Kindern sehr geläufig und es treten daher kaum Schwierigkeiten auf. Die Kinder sollten aber genau untersuchen, welche Stoffe im Sieb bzw. im Filter zurückgehalten werden und welche durch den Filter hindurchfließen. Dadurch können sie selber Rückschlüsse auf den Grund für die Trennmöglichkeit ziehen. Am einfachsten ist dies mit deutlich unterscheidbaren Partikeln (z.B. Kies und Sand) möglich. Es ist zunächst sinnvoll, Siebe verschiedener Maschenweiten zu benutzen, da die Kinder die unterschiedlichen Maschenweiten mit dem Auge erkennen können. Anschließend kann diese Erfahrung auf den Kaffeefilter erweitert werden, wobei die unterschiedliche Beschaffenheit von Kaffeefilter und Teesieb verglichen werden sollte. Die Poren des Kaffeefilters sind nicht mit dem Auge sichtbar, was zu Schwierigkeiten beim Verständnis führen kann.
Das Adsorbieren sollte bei dem Versuch „Filtrieren und Adsorbieren“ noch nicht thematisiert werden, da zur Methode des Filtrierens kein phänomenologischer Unterschied besteht. Die Kinder würden daher vermutlich versuchen, das Ergebnis mit den bisherigen Erfahrungen zu erklären. Die Erklärung der Adsorption beruht aber auf einem anderen Grundsatz: der Haftung zwischen Partikeln und Feststoff. Eine tiefergehende Erklärung ist in der Grundschule nicht empfehlenswert, da dies nur auf der Teilchenebene möglich ist.
Das Trennverfahren des Verdampfens bzw. Verdunstens ist eng mit dem Thema Aggregatzustände und Löslichkeit von Stoffen verknüpft. Beide Fachinhalte sind für eine Erklärung dieser Trennmethode notwendig und müssen präsent sein. Wird dies angestrebt, sollten die Aggregatzustände und die Eigenschaften „Siedetemperatur“ und „Löslichkeit“ vorher mithilfe anderer Versuche erarbeitet worden sein. Eine Verknüpfung im Sinne des kumulativen Lernens kann hier gezogen werden. Das „Unsichtbare“ sichtbar zu machen, ist für die Kinder häufig ein sehr interessanter und für ihr Verständnis entscheidender Schritt für die grundlegenden Konzepte „Stoffe bleiben erhalten“ und „Stoffe können getrennt werden“. Sie haben nämlich die Vorstellung, dass Wasser beim Verdunsten bzw. Verdampfen zu Luft wird oder verschwindet. Die Versuche können auch phänomenologisch als weitere Trennmethode ausgewertet werden.
Methodisch ist es möglich, die Kinder selbst Ideen sammeln zu lassen, wie das schmutzige Wasser gereinigt werden könnte. Ein Wettbewerb, wer das sauberste Wasser gewinnt, fördert die Motivation. Die theoretische Planung von Experimenten ist für Kinder allerdings anspruchsvoll. Eine Hilfe könnte dabei die Bereitstellung von Geräten sein, die zur Verwendung genutzt werden können. Auf diese Art und Weise kann naturwissenschaftliches Arbeiten erlernt werden, denn so werden Kinder dazu gezwungen, genau zu planen: Welche Geräte brauche ich für diesen Versuch und wie führe ich ihn durch? So sind die Versuche zur Trennung einerseits zur Erarbeitung von Fachinhalten geeignet, können aber andererseits naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweisen fördern.
Letztlich ist noch wichtig, dass eine Trennmethode nicht isoliert an einem Beispiel bearbeitet wird, sondern dass entweder sofort Bezüge zu alltagsnahen Beispielen hergestellt werden oder dass an späterer geeigneter Stelle wieder auf das Prinzip hingewiesen wird. So kann z.B. beim Thema „Kläranlage“ nach bekannten Trennmethoden gesucht werden.

Geräte und Stoffe

  • Glas (ca. 500  mL)
  • Teelöffel
  • Stab (z.B. Kaffeerührer)
  • Meersalz
  • veschiedene Salze (z.B. Natriumchlorid, Magnesiumchlorid, Kaliumchlorid, Magnesiumsulfat)
  • Wattboden o.ä. (z.B. schwarze  Erde + weißer Sand)
  • Leitungswasser

Durchführung

Das Glas wird zur Hälfte mit Wasser gefüllt. Dann gibt man einen gehäuften Teelöffel Meersalz dazu (Je nach verwendeter Wassermenge muss entsprechend mehr Meersalz zugegeben werden). Nach erstem Beobachten wird mit dem Stab gut umgerührt. Anschlie-ßend werden zwei Teelöffel „Wattboden“ (oder ein halber Teelöffel Erde und ein Teelöffel Sand) zugegeben und wieder kräftig gerührt.

Beobachtung

Das Meersalz sinkt auf den Boden des Glases. Nach dem Umrühren ist das Meersalz nicht mehr zu sehen. Je nach verwendetem Bodenmaterial setzen sich nach dem Zugeben eini-ge Anteile am Boden ab, einige schweben im Wasser, so dass dieses trüb erscheint und andere schwimmen auf der Wasseroberfläche.

Erklärung

Meersalz besteht hauptsächlich aus Natriumchlorid. Es enthält aber noch geringe Mengen von anderen Stoffen, z.B. Magnesium- und Kaliumsalze. Eine kleine Auswahl kann man sich anhand der Proben anschauen. Die Salze sind alle gut in Wasser löslich. Sie lösen sich durch Umrühren schneller, da die Salzkörner dann mehr Kontakt zum Wasser haben. Wenn man nicht umrührt, dauert der Löseprozess länger. Meerwasser des Wattenmeeres hat einen Salzgehalt von 29-30 g/L (daher gibt man 7,5 g Meersalz auf 250 mL Wasser ≈ 1 gehäufter Teelöffel)

Die Bestandteile des Bodens sind nicht in Wasser löslich. Die mit einer höheren Dichte als Wasser sinken zu Boden, die mit der gleichen Dichte schweben im Wasser und die mit einer geringeren Dichte als Wasser schwimmen an der Oberfläche. 

Anmerkung

Das Meerwasser der Nordsee sieht sehr trübe aus, da viele unlösliche Bodenpartikel im Wasser schweben. Diese werden durch starke Wasserbewegung, die in der Nordsee v.a. durch die Gezeiten und im flacheren Wasser auch durch Wellenbewegungen auftreten, aufgewirbelt.

Konzepte

Stoffe haben Eigenschaften (Eigenschaft: Löslichkeit).
Stoffe bleiben erhalten.

Geräte und Stoffe

  • Glas mit Deckel (ca. 200  mL)
  • Stab (z.B. Kaffeerührer)
  • "Meerwasser" 

Durchführung

Zunächst wird in dem Glas „Meerwasser“ hergestellt (siehe Versuch „Meerwasser herstellen“. Dann wird es mit dem Deckel verschlossen und mehrmals umgedreht. Anschließend stellt man es wieder auf den Tisch.
Alternative:
Mit dem Stab wird das Wasser kräftig umgerührt.

Beobachtung

Durch das Umdrehen bzw. Rühren wird das Wasser trübe. Die festen unlöslichen Bestandteile setzen sich nach einiger Zeit am Boden ab. Wenn man genau beobachtet, bildet der weiße Sand die unterste Schicht. Einige Partikel schweben weiterhin im Wasser und andere schwimmen auf der Wasseroberfläche. Lässt man das Glas längere Zeit stehen, nimmt die Trübung des Wassers immer mehr ab.

Erklärung

Die festen Bestandteile werden zunächst im Wasser aufgeschwemmt. Wenn feste Stoffe mit einer Flüssigkeit vermischt sind, nennt man dies Suspension. Die Feststoffe mit einer höheren Dichte als Wasser setzen sich nach einiger Zeit am Boden ab, sie sedimentieren. Dies kann bei sehr kleinen Partikeln lange dauern. Der am Boden liegende Bodensatz

Anmerkung

Man kann diesen Versuch auch getrennt einmal mit weißem Sand und einmal mit schwarzer Erde durchführen. Dann kann man herausfinden, in welchem Bodentyp Partikel mit einer höheren, gleichen oder geringeren Dichte als Wasser enthalten sind.

Konzepte

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

Geräte und Stoffe

  • 3 Gläser
  • Glas mit "Meerwasser"
  • Kochsalz
  • Teelöffel

Durchführung

Falls noch nicht vorhanden, wird zunächst „Meerwasser“ hergestellt. Nach der Sedimentation kippt man das Wasser vorsichtig „über die Kante“ in das andere Glas. In einem weiteren Versuch wird eine gesättigte Kochsalzlösung mit Bodensatz wie beim Versuch „Salzwasser“ hergestellt und ebenfalls in ein Glas „über die Kante“ gekippt.

Beobachtung

Das Wasser in dem zweiten Glas ist trüb, der Bodensatz hingegen verbleibt im ersten Glas. Die schwimmenden Bestandteile befinden sich ebenfalls im zweiten Glas.  

Erklärung

Dieses Trennverfahren nennt man Dekantieren. Dabei wird die höhere Dichte des Feststoffes genutzt, der am Boden verbleibt. Man darf nicht zu ungestüm dekantieren, da ansonsten der Bodensatz aufgewirbelt wird. Das abdekantierte „Meerwasser“ ist durch feste Schwebstoffe, die eine ähnliche Dichte

Anmerkung

Das Dekantieren sollte bei der Thematik Salzlösungen mit einer gesättigten Salzlösung mit Bodensatz durchgeführt werden (siehe Versuch „Salzbilder“).
Beim Dekantieren ist zu überlegen, ob man das Verfahren „Abgießen“ nennt, damit der Begriff für die Kinder etwas greifbarer wird.

Konzepte

Stoffe bleiben erhalten.
Stoffgemische können getrennt werden (Dekantieren/Vedampfen).

Geräte und Stoffe

  • 2 Gläser (ca. 200 mL)
  • Glas mit "Meerwasser"
  • Trichter
  • Teesieb
  • Kaffeefilter

Durchführung

(Hergestelltes) Meerwasser wird zunächst mit einem Schwung durch ein Sieb in das zweite Glas gegossen.
Anschließend wird das Wasser durch einen Filter in ein weiteres Glas gegossen.

Beobachtung

Mit dem Sieb entfernt man grobe Bestandteile aus dem Wasser. Im (Kaffee-)filter werden feinere Körner zurückgehalten. Das Wasser läuft langsamer durch den Filter als durch das Sieb. Das Wasser ist nach dem Filtrieren immer noch trüb.

Erklärung

Mit diesem mechanischen Reinigungsverfahren können Partikel eines Stoffgemisches entsprechend ihrer Größe abgetrennt werden.
Beim Sieben nutzt man die unterschiedliche Größe der Partikel eines Stoffgemisches aus. Wenn ein Partikel größer ist als die Maschenweite des Siebes, bleibt er im Sieb zurück, kleinere gelangen hindurch.
Beim Filtrieren wird das gleiche Prinzip genutzt. Allerdings ist der Durchmesser der Poren wesentlich kleiner, so dass kleinere Partikel abgetrennt werden können. Sind einige Partikel kleiner als die Poren des Filters, können sie nicht heraus gefiltert werden. Ebenso können das gelöste Salz und andere gelöste Stoffe nicht mit dieser Methode abgetrennt werden.

Anmerkung

Kaffeefilter haben unterschiedliche Porengrößen. Je größer die Poren sind, desto schneller läuft das Wasser durch den Filter. Bei kleinporigen Filtern ist dementsprechend die Durch-laufgeschwindigkeit kleiner, so dass das Wasser länger Kontakt mit dem Kaffeepulver hat. Das Aroma wird kräftiger, da mehr Geschmacksstoffe gelöst werden. Mit großporigen Kaffeefiltern entsteht milder Kaffee, da das Wasser kürzeren Kontakt mit dem Kaffeepulver hat. Anhand des Beispiels mit dem Kaffee kann auch die Stoffeigenschaft „Löslichkeit“ thematisiert werden.

Konzepte

Stoffgemische können getrennt werde (Sieben/Filtrieren).


Reinigung des Meerwassers

Filtrieren und Adsorbieren

Geräte und Stoffe

  • 1 Glas
  • Glas mit "Meerwasser"
  • Kunststoffgetränkeflasche (PET-Flasche) 0,5 L
  • spitzes Messer/Schere
  • Kreppband/Isolierband
  • gewaschener Sand
  • gewaschener Kies
  • Watte

Durchführung

Von der Kunststoffgetränkeflasche wird der Boden abgetrennt. Dazu sticht man am besten mit einem spitzen Messer ein Loch in die Flasche und schneidet dann  mit einer Schere den Boden ab. Über den Rand klebt man Kreppband, damit man sich nicht an unebenen Stellen verletzen kann. Dann wird die Flasche im Bereich der Trinköffnung mit Watte befüllt, damit der Sand nicht herausfällt. Die Flasche wird kopfüber in das Glas gestellt und zu ¼ mit zunächst Kies und dann Sand eingefüllt. Der Flaschenkopf muss Abstand zum Boden des Glases haben. Zum Schluss gießt man das „Meerwasser“ von der offenen Bodenseite hinein.

Beobachtung

Das Wasser in dem Glas ist klar.

Erklärung

In dem Sand und Kies bleiben die unlöslichen Bestandteile des Meerwassers zurück. Einerseits ist hier das Filtrationsprinzip wirksam, da die Räume zwischen den Sand- bzw. Kieskörnern eine bestimmte Größe haben und Partikel mit größerem Durchmesser zurückgehalten werden. Andererseits haften die Partikel des Meerwassers an der Oberfläche der Sand- und Kieskörner. Dieses Phänomen nennt man Adsorption (lat. ad "hinzu" und sorbere "schlucken, schlürfen"). Das gelöste Salz wird nicht adsorbiert und verbleibt im Wasser. Mithilfe der Adsorption kann man aber einige Stoffe entfernen, die sich durch Filtrieren nicht abtrennen lassen (z.B. Tinte).

Anmerkung

Das Verhältnis zwischen eingefülltem Sand und Kies und eingefüllter Wassermenge muss stimmen. Wenn man nur sehr wenig Wasser einfüllt, kommt unten nichts mehr heraus, da ein Teil des Wassers im Sand verbleibt.
Für Kinder im Grundschulalter ist es ausreichend das Filtrationsprinzip anzusprechen und die Adsorption didaktisch zu reduzieren.
Man kann alternativ zur Kunststoffgetränkeflasche auch Löcher in den Boden eines Joghurtbechers stechen und Kies und Sand einfüllen.

Konzepte

Stoffgemische können getrennt werde (Filtration und Adsorbtion).


Reinigung des Meerwassers

Verdunsten und Verdampfen

Geräte und Stoffe

  • von Fest- und Trübstoffen gereinigtes Meerwasser
  • leere Teelichtschalen
  • schwarze Alufolie
  • Heizplatte
  • Grillzange
  • Teelicht
  • Streichhölzer
  • Drahtgestell einer Sektflasche
  • breite Schale (z.B. Weckglasdeckel oder Marmeladenglasdeckel, der mit schwarzer Alufolie verkleidet ist)

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.
Die Teelichtschale wird mit schwarzer Alufolie verkleidet und zur Hälfte mit dem gereinigten Meerwasser befüllt. Das Wasser in der Teelichtschale wird so lange auf der Heizplatte erwärmt[1], bis das Wasser verdampft ist.
Alternativ kann das Wasser auch mit Hilfe eines Teelichtes verdampft werden. Dazu stellt man auf das Drahtgestell der Sektflasche die Teelichtschale mit dem Wasser. Unter dem Gestell wird ein Teelicht gestellt und entzündet. Dies dauert allerdings länger als mit einer Heizplatte.

Beobachtung

Das Wasser in der Schale, die an einem warmen Ort steht, verdunstet. Zurück bleiben sehr schöne Salzkristalle.
In der Teelichtschale, in der das Wasser erhitzt wurde, erkennt man nach dem Verdampfen des Wassers ebenfalls Salzkristalle.

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 gasförmig 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 einer Stunde 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.
Man spricht von Verdampfung, wenn der Übergang bei der Siedetemperatur des Stoffes (bei Wasser 100°C) abläuft.

Anmerkung

Dieser Versuch kann auch mit unterschiedlich konzentrierten Kochsalzlösungen durchgeführt werden, z.B. mit einer gesättigten Kochsalzlösung. Dann bleibt bei gleicher Wassermenge unterschiedlich viel Kochsalz zurück, da unterschiedliche Kochsalzmengen im Wasser gelöst waren. Je mehr Salz im Wasser gelöst ist, desto eher kann man die ersten Salzkristalle beobachten.
Die schönsten Salzkristalle entstehen, wenn das Wasser verdunstet und die Oberfläche des Glases ganz glatt ist. Kinder können z.B. selber mit unterschiedlichen Kochsalzlösungen und Schalen experimentieren, um die „schönsten“ Salzkristalle zu erhalten.
Es gibt unterschiedliche Anwendungen zur Salzgewinnung, die das Verfahren der Verdunstung nutzen, z.B. in Salinen oder Gradierwerken (siehe Versuche in der zweiten Phase im Wattenmeerhaus).

Konzepte

Stoffgemische können getrennt werde (Verdunsten und Verdampfen).


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

Chemilritde-4fWeskrrsbmashqztlteh7ryr (cho/emkewniere@u/0ol.de) (Stand: 07.11.2019)