Wasserhärte Leitfähigkeit

Laborbericht
Wasserhärte
Leitfähigkeit
Anna Senn
Bianca Theus
14.09. 2004 – 03.11. 2004
Inhaltsverzeichnis
1.
Ziel ..................................................................................................................................... 1
2.
Theorie ............................................................................................................................... 1
2.1
Leitfähigkeit ............................................................................................................... 1
2.2
Wasserhärte ................................................................................................................ 2
2.3
Entstehung von Wasserhärte ...................................................................................... 2
2.4
Bestimmung der Wasserhärte..................................................................................... 3
3.
Material .............................................................................................................................. 3
4.
Vorgehen ............................................................................................................................ 3
5.
Messwerte/Resultate........................................................................................................... 4
6.
7.
5.1
Leitfähigkeit/Wasserhärte der verschiedenen Proben ................................................ 4
5.2
Diagramm 1 (ohne die zwei letzten Messpunkte)...................................................... 5
5.3
Diagramm 2 (mit den beiden letzten Messpunkten) .................................................. 5
5.4
Ionenbilanz ................................................................................................................. 6
5.5
Kreisdiagramm (Ionenbilanz) .................................................................................... 7
Interpretation ...................................................................................................................... 7
6.1
Wasserhärte ................................................................................................................ 7
6.2
Ionenbilanz ................................................................................................................. 8
Quellen ............................................................................................................................... 8
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Laborbericht Wasserhärte, Leitfähigkeit
Senn, Theus
Wasserhärte, Leitfähigkeit
1. Ziel
Ziel war es, mit Hilfe einer Titration die Härte verschiedener Wässer zu ermitteln sowie die
Ionenbilanz eines Wassers mit bekannter Mineralisierung zu überprüfen.
2. Theorie
2.1 Leitfähigkeit
Die Leitfähigkeit von Wasser wird in µS/cm (micro-Siemens) angegeben. Ein Siemens
entspricht 1 Ohm-1. Es handelt sich also um eine Widerstandsmessung.
Reines Wasser ist ein schlechter Leiter für elektrischen Strom. Seine Leitfähigkeit wird
erhöht, wenn Salze in ihm gelöst werden. Sie besitzen dementsprechend die Fähigkeit,
elektrischen Strom zu leiten. Die Höhe der Leitfähigkeit ist abhängig von der Art und Menge
der gelösten Salze.
Die Leitfähigkeit einer Lösung ist die Summe aller Einzelleitfähigkeiten aller vorhandenen
Anionen und Kationen. Diese Salze können einen natürlichen Ursprung haben (z.B.
Verwitterung von Gesteinen) oder aber menschlicher Herkunft sein (z.B. Streusalz,
Industrieabwässer). Hauptbestandteil in Fliessgewässern bilden folgende Salze: Na+, K+,
Mg2+, Ca2+ und NH4+ sowie Cl-, SO42-, HCO3-, H2PO4- und NO3-. Sie leisten hauptsächlich
ihren Beitrag zur Leitfähigkeit des Wassers.
Die elektrische Leitfähigkeit von ist abhängig von der Temperatur des Wassers, von der
Konzentration
und
dem
Dissoziationsgrad
der
einzelnen
Elektrolyte,
von
deren
elektrochemischen Wertigkeiten und von der Wanderungsgeschwindigkeit der einzelnen
Ionen in Feldrichtung. Bei konstanter Temperatur ist die Leitfähigkeit von Wasser eine
Funktion seiner Konzentration an Ionen. Durch vergleichende Messungen lässt sich also z.B.
bei Proben gleicher Herkunft feststellen, ob sich der Gehalt an gelösten Salzen über einen
bestimmten Zeitraum hin ändert.
Da man bei einer einfachen Leitfähigkeitsmessung wie wir sie gemacht haben natürlich nicht
die Zusammensetzung eines Wassers im Detail kennt und jedes Ion seine eigene spezifische
Leitfähigkeit aufweist, lässt sich der exakte Salzgehalt daraus natürlich nicht ableiten.
1
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Senn, Theus
2.2 Wasserhärte
Die Härte des Wassers ( Wasserhärte ) hängt von dem Gehalt an Calcium- und
Magnesiumverbindungen ab. Je höher der Gehalt ist, desto härter ist das Wasser.
Die Wasserhärte wird in französischen Härtegraden (ºf) oder deutschen Härtegraden (°d)
gemessen. Die Angabe in deutschen Härtegraden bedeutet: 100l Wasser mit 1°d enthalten
ebenso viele Ca+ - Ionen wie 1g Calciumoxid.
Gesamthärte (mmol/l)
bis 1.3
Deutsche Härtegrade (°d)
0–7
Härtebereich
1
weich
1.3 – 2.5
7 – 14
2
mittel
2.5 – 3.8
14 – 21
3
hart
über 3.8
über 21
4
sehr hart
2.3 Entstehung von Wasserhärte
Kohlendioxidhaltiges Niederschlagswasser löst in Gesteinsschichten Mineralien heraus. Die
unterschiedliche Wasserhärte hängt von der Gesteinsschicht und Verweildauer des Wassers in
dieser Schicht ab. Die Gesamthärte kann unterteilt werden in:
•
Calcium-, Magnesium- und Sulfat- Ionen die nach dem Kochen gelöst im Wasser
zurückbleiben bleibende Härte
•
Den ausgefällten Teil vorübergehende Härte (Carbonhärte)
Beide zusammen machen die Gesamthärte aus. Die Gesamthärte ist ein Mass für den Gehalt
an Calcium – Ionen und Magnesium – Ionen im Wasser.
Beim Kochen geschieht folgendes:
Ca2+ + 2HCO3- CaCO3 + H2O + CO2 (endotherm)
Calciumcarbonat fällt aus. Calcium – Ionen reagieren dabei mit HydrogencarbonatIonen im Wasser. Calciumcarbonat setzt sich als Kesselstein unter anderem in Wasserboilern,
Kaffeemaschinen und Heizkesseln ab.
2
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2.4 Bestimmung der Wasserhärte
Die Wasserhärte kann man durch Komplexbildungstitration mit dem Dinatriumsalz
der Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA, Titriplex III) bestimmen.
In die Wasserprobe wird Ammoniak sowie eine Puffertablette gegeben, das Wasser
färbt sich rot. Anschliessend wird die Probe mit der Triplex III-Lösung von rot über
grau auf grün titriert.
3. Material
•
Bürette, Stativ
•
Messzylinder, Bechergläser, Pipette
•
Magnetrührwerk, Magnetrührer
•
pH- bzw. Leitfähigkeitsmessgerät
•
Indikator – Puffertabletten, EDTA (Triplex III), Ammoniak
•
Verschiedene Wasserproben, destilliertes Wasser
4. Vorgehen
1. Bürette in das Stativ klemmen, Magnetrührer platzieren
2. Bürette mit EDTA auffüllen, Luftblasen entfernen, auf Anfangsmarke auffüllen
3. Messzylinder sowie Becherglas mit dem zu titrierenden Wasser spülen, 100 ml
Wasserprobe abmessen
4. Leitfähigkeit messen (falls Leitfähigkeit grösser als 400, Probe in geeignetem
Verhältnis mit dest. Wasser verdünnen, gut durchmischen, Leitfähigkeit erneut messen)
5. eine Indikator–Puffertablette und anschliessend 2ml Ammoniak hinzufügen (Lsg. färbt
sich rot
6. das Becherglas mit der Probe auf den Magnetrührer stellen, ein weisses Blatt
dazwischen legen,
7. Magnetrührer einschalten und mit der Titration von rot über grau auf grün beginnen.
8. sobald sich die Probe grau färbt den Titrationsverbrauch ablesen.
Aus dem Titrationsverbrauch lässt sich der deutsche Härtegrad bestimmen (den °d kann man
direkt vom Titrationsverbrauch übernehmen; Beispiel: Titrationsverbrauch: 6.1 ml dt.
Härtegrad: 6.1)
3
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5. Messwerte/Resultate
5.1 Leitfähigkeit/Wasserhärte der verschiedenen Proben
Guggerbach:
243 µS/cm
Leitungswasser Monstein:
227 µS/cm
Leitungswasser Caslano (Ti):
236 µS/cm
Leitungswasser Valcros (F):
493 µS/cm
Leitungswasser Gerling (A):
376 µS/cm
Bach Gerling (A):
395 µS/cm
Pool-Wasser (F):
3080 µS/cm
Valserwasser Classic:
2870 µS/cm ??!
Leitfähigkeit (µS/cm) Titrationsverbrauch (ml) Härte (°d)
243
6.1
6.1
227
5.05
5.05
236
3.05
3.05
491
9.3
9.3
376
9.4
9.4
395
9.8
9.8
3080
23.15
23.15
2870
72.75
72.75
Erdalkaliionen (mmol/l)
1.098
0.909
0.549
1.674
1.692
1.764
4.167
13.095
Mit Hilfe dieser Daten lässt sich ein Diagramm erstellen in dem man die deutsche Härte als
Funktion der Leitfähigkeit darstellt. Für dieses Diagramm macht man sich zunutze dass sich
Härte und Leitfähigkeit linear verhalten (sollten…).
4
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5.2 Diagramm 1 (ohne die zwei letzten Messpunkte)
Wasserhärte
12
dt.Härte (°d)
10
8
dt.Härte (°d)
6
Linear (dt.Härte (°d))
4
2
0
0
100
200
300
400
500
600
Leitfähigkeit (micro-S/cm)
5.3 Diagramm 2 (mit den beiden letzten Messpunkten)
Wasserhärte
80
70
dt.Härte (°d)
60
50
dt.Härte (°d)
40
Linear (dt.Härte (°d))
30
20
10
0
0
1000
2000
3000
4000
Leitfähigkeit (micro-S/cm)
5
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5.4 Ionenbilanz
Um eine Ionenbilanz erstellen zu können braucht man ein Wasser mit
bekannter Mineralisierung. Für unsere Bilanz verwendeten wir die Daten
von „Valser Wasser Classic“ die auf der Etikette zu finden waren. Diese
Daten sind nicht ganz vollständig, reichen jedoch für unsere Berechung.
Kationen
Ca2+
Mg2+
Na+
Ladung
2+
2+
+
mg/l
436
54
11
Atommasse (g/mol)
40.08
24.31
22.99
C (mmol/l)
10.88
2.22
0.48
C (mval/l)
21.76
4.44
0.48
26.68
in %
40.52%
8.28%
0.89%
49.69%
Anionen
SO42HCO3NO3Cl-
2-
990
386
0
3
96.06
61.01
62.07
35.45
10.31
6.33
0.00
0.07
20.61
6.33
0.00
0.07
27.01
38.39%
11.78%
0.00%
0.13%
50.31%
53.69
100%
Total
1'532
Die Konzentration in mval/l der Kationen und Anionen sollte je 50% betragen. Wie man der
obigen Tabelle entnehmen kann ist das nicht ganz der Fall, die Differenz ist jedoch nicht
gross.
6
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Senn, Theus
5.5 Kreisdiagramm (Ionenbilanz)
0.00%
11.78%
0.13%
Ca2+
40.52%
Mg2+
Na+
So4 2HCO3 NO3 -
38.39%
Cl 0.89% 8.28%
6. Interpretation
6.1 Wasserhärte
Die Abweichungen der Messpunkte von der Trendlinie könnten durch verschiedene
Fehlerquellen verursacht worden sein:
•
Bei der Titration von rot über grau auf grün haben wir nicht immer ein weisses Blatt
zwischen das Becherglas und das (graue) Magnetrührwerk gelegt.
•
Da alle Laborgruppen dasselbe Leitfähigkeitmessgerät benutzt haben kann es passiert
sein dass noch ein wenig Wasser von der vorhergehenden Gruppe im Messgerät war
und das Gerät nicht mit dest.-Wasser gespült wurde.
Die sehr grosse Abweichung der Leitfähigkeit des Valserwassers lässt sich (mit Hilfe unserer
Kenntnisse) nicht erklären…
7
Laborbericht Wasserhärte, Leitfähigkeit
Senn, Theus
Zusätzlich zu unseren Titrationen mit Süsswasser versuchten wir die Härte von Meerwasser
zu ermitteln. Dazu verwendeten wir Wasser aus dem Mittelmeer. Damit sich das Salz im
Wasser senken konnte liessen wir die Probe eine Woche lang stehen. Um zu titrieren
entnahmen wir das Wasser mit einer Pipette damit das Wasser nicht erneut durchmischt
wurde.
Als wir dann die Härte bestimmen wollten stellte sich heraus dass im Wasser zu viele
störende Stoffe waren, sodass wir zu keinem Ergebnis kommen konnten.
6.2 Ionenbilanz
Die Ionenbilanz stimmt nicht ganz. Wie aber auf Seite 7 zu sehen ist, ist dort zusätzlich zu
den Kationen und Anionen die wir für die Ionenbilanz berücksichtigt haben eine Reihe
weiterer Ionen aufgelistet. Die Differenz könnte also durch diese nicht mit einberechneten
Ionen verursacht worden sein.
Ansonsten können wir keine weiteren Gründe für diese Differenz erkennen…
7. Quellen
•
Unterlagen aus dem Unterricht
•
Internet
•
Chemiebuch Schroedel I
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