Chemie Grundlagen: Wasser, Wasserstoff und Sauerstoff

Wasser: Vorkommen, Eigenschaften und Härte

a) Vorkommen von Wasser

• Ca. 2/3 der Erdoberfläche sind von Wasser bedeckt (ca. 1,4 Mrd. km³).
• Verteilung: 97,4 % Salzwasser, ca. 0,27 % Trinkwasser.
• Gebunden in Lebewesen (bis über 90 %).
• Gebunden in Mineralien: "Kristallwasser".

Beispiele für Kristallwasser

• CaSO₄ ∙ 2 H₂O (Gips)
• CoCl₂ ∙ 6 H₂O (rosa) ⇌ CoCl₂ (blau) + 6 H₂O (Indikatorfunktion)

Definition: Indikator

Ein Indikator ist ein Stoff, der durch Farbveränderung die Anwesenheit eines anderen Stoffes anzeigt.

b) Eigenschaften von Wasser

Farb-, geruch- und geschmacklose Flüssigkeit. Schmelzpunkt (Smp) = 0 °C, Siedepunkt (Sdp) = 100 °C.

Weitere Eigenschaften:

• Hohe Oberflächenspannung
• Kapillarität
• Hohe Wärmekapazität

Die Anomalie des Wassers (s. 46 f.)

Eis bildet ein lockeres, sechseckiges Röhrengitter, das beim Schmelzen nur teilweise zerstört wird. Dabei wandern Wassermoleküle von außen in das Innere der verbliebenen Röhren, wodurch die Dichte des nun flüssigen Wassers steigt. Dieser Effekt ist bei 4 °C maximal. Ab 4 °C dehnt sich das Wasser normal aus. Eis kann durch Druck geschmolzen werden (relevant für Wintersport).

c) Wasser: Ein gutes Lösungsmittel (LM) (s. 48 f.)

In Wasser lösen sich Stoffe gut, deren Teilchen mit den Wassermolekülen in Wechselwirkung treten, d. h. die selbst (polar) geladen sind.

Sie werden von H₂O umschlossen ("hydratisiert"). Dieser Vorgang ist exotherm.

• Gesättigte Lösungen (s. 48)
• Lösungen (Lsg) von Farbstoffen sind schwerer als das Lösungsmittel (LM); Lösungen von Gasen sind leichter. (Lösungen von Flüssigkeiten haben unterschiedliche Dichten.)
• Gase lösen sich besser in kaltem Wasser (s. 49). Deren Moleküle werden in den Hohlräumen der Wasserstruktur "gestapelt".

d) Die Wasserhärte (s. 49 f.)

Die Wasserhärte ist ein Maß für den Gehalt an Ca²⁺- und Mg²⁺-Ionen, die aus Kalk (CaCO₃) und Magnesit (MgCO₃) mithilfe von CO₂ gelöst werden (s. 50).

Einheit: °dH (Grad deutscher Härte). 1 °dH entspricht ca. 7 mg CaCO₃-Äquivalent pro Liter Wasser.

Hartes Wasser ist gesund (Knochen, Zähne, Nerven, Muskeln), aber schädlich für Heißwassergeräte und Wäsche (S. 115).

Der Wasserstoff (H₂)

Vorkommen

Häufigstes Element im Weltall (ca. 90 % in allen Sternen). Auf der Erde nur gebunden in Wasser, Säuren, Erdöl und -gas, Fetten, Zucker etc.

Gewinnung

> Aus Wasser:

• Durch Elektrolyse (s. 14).
• Durch Reaktion mit glühender Kohle (ca. 1000 °C): "Wassergasreaktion": C + H₂O → H₂ + CO
• Durch Reaktion mit sehr unedlen Metallen.
• Durch Reaktion mit Erdgas (CH₄) (s. 52).

> Aus Säuren mit unedlen Metallen (siehe SV: 6.2):

2 Al + 6 HCl → 3 H₂ + 2 AlCl₃

Eigenschaften

Farb-, geruch- und geschmackloses Gas (H₂-Moleküle), leichter als Luft, brennbar.

• Nachweis: Knallgasprobe (siehe SV: 6.2 bzw. S. 14).
• Unterhält die Verbrennung nicht.
• Leitet Wärme und Schall sehr gut.
• Sickert leicht durch poröse Materialien (z. B. Mauern, Eisen).

Verwendung

• Wetterballons, Luftschiffe
• Raketentreibstoff
• Schweißgeräte
• Energieträger, z. B. für Autos (Brennstoffzellen)

Der Sauerstoff (O₂) (s. 31, 35 ff.)

Vorkommen

Elementar in der Luft als O₂ und O₃ (Ozon) (s. 31). Gebunden in Mineralien (ca. 50 % der Erdkruste: SiO₂, CaCO₃) und Wasser.

Gewinnung

> Aus Wasser: Durch Elektrolyse (s. 14 f.).

> Aus Luft: Durch Abkühlung, bis der Sauerstoff flüssig wird (-183 °C).

> Aus Sauerstoffverbindungen durch Thermolyse:

Z. B.: 2 KNO₃ → 2 KNO₂ + O₂ (Annahme: KBo₃ war KNO₃)

> Aus Wasserstoffperoxid durch Katalyse:

2 H₂O₂ → 2 H₂O + O₂

Eigenschaften

Farb-, geruch- und geschmackloses Gas (O₂-Moleküle), schwerer als Luft, unbrennbar, fördert die Verbrennung.

• Nachweis: Glimmspanprobe (siehe SV: 6.1 bzw. S. 14).
• Bildet mit UV-Licht (Sonne, Kopiergeräte) oder bestimmten Luftschadstoffen (Stickoxide etc.) Ozon (O₃).

Ozon (O₃)

Ozon ist ein giftiges, sehr reaktionsfreudiges Gas mit typischem Geruch. Es schützt uns aber vor der tödlichen UV-Strahlung der Sonne.

Verwendung von O₂

• Beatmungsgeräte (Taucher, Bergsteiger, Medizin)
• In der Schweißtechnik
• Zur Stahlgewinnung (s. 81)
• Als "Schutzgas" in Verpackungen für Fleisch

Passive Voice: Übersicht der Zeitformen

Die folgende Tabelle zeigt die Umwandlung vom Aktiv ins Passiv in verschiedenen Zeitformen.