1.0 Was wir schon über Wasser wissen:
 (Brainstorming)

In Biologie und Physik aber auch in Chemie Klasse 7 haben wir schon viel zu Wasser und seiner Bedeutung gehört und erfahren:

Wasser - Trinkwasser - Bedeutung für die Menschheit

Dichte von Eis, Wasser sprengt Eisenkugel, Draht wandert durch Eisblock, Löse- und Transportmittel

Wasser im Körper (aus biologischer Sicht)

Gletscher, Wasserfall, Wüste, Kläranlage

Wasserfloh

Dampfmaschine

Judith hat von ihrem Opa eine Kassette mitgebracht und wir hören das Lied: „Wasser ist zum Waschen da" von den Peheiros. Es ist lustig. Den gibt's auch bei YouTube „Wasser ist zum Waschen da" (Ton mit Bildern)

1.1 Bei welchem Stoff handelt es sich um Wasser?

(Steckbrief)

Wenn wir Wasser untersuchen wollen, müssen wir wissen, dass es sich wirklich um Wasser handelt. Der Stoff darf weder eine wasserähnliche Flüssigkeit, noch durch Fremdstoffe - insbesondere Salze oder Gase - verunreinigtes Wasser sein.

          Farbe: keine

     Geruch: keiner

Wasser und Energie (Teilchenmodell)

 Wir wiederholen den Versuch aus der Klasse 7, bei dem wir Eis auf einem beheizbaren Magnetrührer erhitzt und dabei die Zeit und die Temperatur (manche sogar mit dem Computer) gemessen haben. (hier: theoretisierte Kurve)

In den Phasen I, III und V wird die zugeführte Energie dafür verwendet, um Bewegung der kleisten Teilchen zu erhöhen (= das Wasser zu erwärmen). Bei I wird gefrorenes, bei III flüssiges und bei V gasförmiges Wasser erwärmt.

In den Phasen II und IV wird die zugeführte Energie dafür verwendet, um die Anziehungskräfte der kleinsten Teilchen zu vermindern oder aufzuheben(= den Aggregatzustand zu verändern). In Phase II wird die Energie benötigt, um festes Wasser zu schmelzen, und bei IV, um flüssiges Wasser zu verdampfen.

      Schmelztemperatur: 0°C (siehe Graph)

     Siedetemperatur: 100°C (siehe Graph) (! bei 1013 hPa)

     Dichte: 1,00 g/mL

       Stromleitung: leitend, aber sehr gering. Jede Zugabe von Salz erhöht die Leitfähigkeit sehr stark.

      Chemisch: Färbt weißes Kupfersulfat (besser WATESMO- Streifen) blau.

Der Stoff muss also alle der obigen aufgeführten Eigenschaften haben, um Wasser zu sein. Wir nennen den Stoff „reinstes Wasser“ oder „Wasser-Wasser“

Bei manchen der folgenden Experimente müssen wir entscheiden, wie rein das Wasser wirklich sein muss.

AK

Material

Experi:

AB: G16

Theorie

AB A00b

Film  A00M
0:53 (engl.)

Film: A00K 

1:38

AB: L11

AB: D02

2. Welche Stoffe sind im Wasser?(Qualitative Analyse)

Einige in unserer Klasse glauben zu wissen, dass in der Formel H₂O das Zeichen "H" für Wasserstoff und das Zeichen "O" für Sauerstoff steht. Also schauen wir erst mal nach diesen beiden Stoffen.

2.1   Nachweis von Sauerstoff

 Aus der Klasse 7 wissen wir, dass man Sauerstoff mit der Glimmspanprobe nachweisen kann (Reagenzglas mit der Öffnung nach oben):
Entflammt ein glimmender Span, so ist Sauerstoff vorhanden.

Vorversuche

a. Im mit Sauerstoff gefüllten Reagenzglas entflammt der Span. Die Probe ist positiv.

b. Mit flüssigem Wasser ist das Ergebnis der Glimmspanprobe negativ.

c. Auch im Wasserdampf (er wird erzeugt, indem wir Wasser im Reaktionsgefäß
    GL25 auf dem AK-SÜS Magnetrührer erhitzen geht der Span aus.

Aus der 7 wissen wir, dass Magnesium mit (Luft-)Sauerstoff heftiger reagiert als Holz. Die Flamme ist grellweiß. Es entsteht dabei weißes Magnesia (Magnesiumoxid) Die Bildung von Magnesia ist ein sichererer Nachweis für Sauerstoff (auch für den in der Luft).

 Vorsicht: Augen etwas zukneifen (blinzeln): Es entstehen UV-Strahlen. 

Magnesium reagiert heftiger als Holz mit (Luft-)Sauerstoff unter Ausbildung von

d. Bei flüssigem Wasser ist das Ergebnis wieder negativ.

e. Im Wasserdampf ist die Reaktion positiv. Das Magnesium scheint sogar noch ein bisschen heller zu brennen als in reiner Luft.

Ganz sicher können wir aber nur sein, wenn wir ausschließen das noch Luft vorhanden ist. Wir sollen uns in Gruppen eine Apparatur ausdenken.

Erdachter Versuchsaufbau:  

Durchführung des Versuchs mit AK-SÜS-Teilen

AK-SÜS (Arbeitskreis-Kappenberg-Schüler-Übungs-System) ist ein Halbmikrotechniksystem wie das von Häusler oder Zinsser. Es wird auf der Homepage des AK beschrieben

Sofort anfangen - Der Versuch dauert die ganze Schulstunde!
 

Das Reaktionsgefäß wird zu einem Drittel mit Wasser gefüllt und einige Siedesteinchen werden hinzu gegeben. Kappe! Das ca. 2 cm lange Magnesiumband wird in der Mitte geknickt und in die Mitte des Spezialquarzrohrs platziert. Die durch den Wasserdampf verdrängte Luft gelangt in die mit Wasser gefüllte Spritze ("pneumatische Wanne"). Steigen keine Bläschen mehr auf, wird die Luft mit Hilfe einer weiteren Spritze entnommen. Nun wird das Magnesiumband mittels Gasbrenner erhitzt. Es entzündet sich und brennt mit greller Flamme. Zurück bleibt weißes Magnesia: Das ist der Nachweis für Sauerstoff
 

2.2.   Nachweis von Wasserstoff

In der "pneumatischen Spritze" sammelt sich ein farbloses Gas. Es muss gleichzeitig bei der Reaktion des Magnesiums mit (aus) dem Wasser entstanden sein. "Was kann das für ein Gas sein?"..."Eigentlich nur Wasserstoff!!"

Aus der Klasse 7 wissen wir, dass man Wasserstoff mit der Knallgasprobe nach-weist. (Reagenzglas mit der Öffnung nach unten)
Wenn man das Reagenzglas einer Flamme nähert und es eine kleine Explosion gibt, so handelt es sich um Wasserstoff

Mit der Knallgasprobe ("Plop" bzw. "Puii") identifizieren wir das Gas aus der pneumatischen Spritze als Wasserstoff.

Ergebnis von Punkt 2:

Wasser-Wasser ist mindestens aus Wasserstoff und Sauerstoff aufgebaut.

Film:A01C
  0:44

AB: A01

Film: A01
  3:05

3. Entsteht aus Wasserstoff und Sauerstoff Wasser?
    (Qualitative Synthese)

Überlegung: Um Wasser nicht auf jeden Stoff, den es gibt, überprüfen zu müssen, versuchen wir Wasser nur aus Wasserstoff und Sauerstoff zu synthetisieren.

Versuch:  Reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff? Entsteht dabei Wasser?

1. Ergebnis: Wasserstoff und Sauerstoff reagieren mit einander. Selbst bei kleinen Mengen gibt es eine Explosion.

Entsteht bei der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff wirklich Wasser?

Bei dem Versuch ist leider das Reaktionsprodukt "in die Luft gegangen". Weil uns der Versuch mit reinem Sauerstoff zu gefährlich war, wollen wir Wasserstoff  in „gebremsten Sauerstoff“ in Luft verbrennen .

Versuch: 

Der Wasserstoff wird in die Spritze gefüllt und diese mit dem Stempel auf den Tisch gestellt. Man drückt das Gas aus der Spritze und zündet es an. Ein trockenes Marmeladenglas beschlägt. Der WATESMO- Streifen wird durch den Beschlag blau.

 Wiederholung als Lehrerversuchs

 (Synthese einer deutlichen Menge Wasser aus den Elementen!):

Aufbau

In der Kühlfalle sammelt sich eine farblose Flüssigkeit. Der Lehrer behauptet, es sei Wasser, will es aber nicht trinken.

Um den Stoff zu identifizieren, könnten z.B. den Siedepunkt der Flüssigkeit bestimmen, aber er weist das Wasser mit „WATESMO“ nach.

Ergebnis von Punkt 3 (nach dem Lehrerversuch):

Wasser besteht nur aus Wasserstoff und Sauerstoff.

AB: A02

Film:A02

2:20

AB: A02A

Film:A02A

2:20

4. Wie hoch ist der Anteil an Wasserstoff bzw. Sauer-
    stoff im Wasser?  (Quantitative Analyse)

Natürlich stellt sich uns sofort die Frage: In welchem Verhältnis sind Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser enthalten?

Elektrolyse ( Zerlegung von Wasser mit Hilfe des elektrischen Stromes.    (unser Lehrer behauptet, dass das geht)
Da, wie wir wissen, Wasser den Strom schlecht leitet, müssen wir das Wasser l mit etwas Schwefelsäure versetzen, damit es genügend leitet. Der Lehrer versichert uns aber, dass durch die Säure keine anderen Reaktionen ablaufen.
Versuchsaufbau (Variante: 1)

Wir legen an diese komplizierte Apparatur Gleichspannung (ca. 20 V) an und in ca. sieben Minuten bilden sich am Minuspol 31 ml und am Pluspol 15,6 ml Gas.

  Knallgasprobe mit dem „- Polgas“: positiv

  Glimmspanprobe mit dem „+ Polgas“: positiv

Ergebnis: bei der Elektrolyse entsteht am Minuspol doppelt soviel Wasserstoff wie am Pluspol Sauerstoff.

 Durchführung des Versuchs mit Elektrolyseuren:  Diesmal kein Pfusch mit Säurezugabe! Es darf nur destilliertes Wasser verwendet werden.

 
Die Apparatur wird mit dest. Wasser gefüllt und dann  das Netzgerät in die Steckdose eingesteckt. Anschließend werden die Kabel am Elektrolyseur befestigt  (rot = Pluspol) und die Volumina in gewissen Zeitabständen ablesen!

Zum Nachweis der entstehenden Gase werden kleine Reagenzgläser verwendet.

Ergebnis von Punkt 4:

Wasserstoff und Sauerstoff sind zumindest nach der Zerlegung im Verhältnis 2:1 im Wasser enthalten.

AB:M01B

Film: M01B
  4:02

AB:M01C

5. In welchem Verhältnis reagieren Wasserstoff und
   Sauerstoff zu Wasser?(Erste Quantitative Synthese)

Wir wollen überprüfen, ob nun umgekehrt bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff im Volumenverhältnis 2:1 Wasser entsteht.

Einer von uns schlägt vor, die beiden Gase zu mischen und wieder in der Seifenschale anzuzünden. Die "optimale Mischung" müsste dann am lautesten knallen. Die meisten haben aber Angst vor dem Knall. Wir müssen uns einen gefahrloseren Versuch ausdenken.

Versuch Synthese im „Spritzen-Eudiometer“

Wir geben 2 Volumenteile Wasserstoff und 2 Volumenteile Sauerstoff in die Spritze. Nach der Zündung ist noch ein Volumenteil Gas übrig. 

Nach Zugabe von 2 Volumenteilen Wasserstoff gibt es wieder eine Reaktion, und es ist fast kein Gas mehr im Gerät. Also war das Restgas Sauerstoff.

Ergebnis von Punkt 5:

2 Volumenteile Wasserstoff reagieren mit 2 Volumenteilen Sauerstoff zu Wasser. Das Wasser sieht man aber nicht, da es flüssig ist und damit verschwinden wenig. (24200 mL gasförmiges Wasser entsprechen 18 mL flüssigem Wasser)

AB: A03

Film: A03
 1:35

 6. Hypothese von Avogadro

An dieser Stelle gibt es  vom Lehrer einen notwendigen Hinweis:

"Es gibt für manche chemischen Beziehungen so etwas ähnliches, wie ein Naturgesetz, die

Satz oder Hypothese von Avogadro

 (Merke: Hypothese mit den vier "G"s: )
    

Nur für

Merksatz:     

Gase gilt:
Gleiche Volumina enthalten bei
Gleichen  Bedingungen
Gleichviele Teilchen.

7. Wieviel Wasserdampf entsteht, wenn Wasserstoff
    mit Sauerstoff reagiert? (Zweite Quantitative Synthese)

Um die Hypothese von Avogadro anwenden zu können, müssen wir aber unbedingt unser entstehendes Wasser gasförmig machen und evtl. als Wasserdampf halten.

Dazu wird das ganze Reaktionsrohr auf über 100°C erhitzt, damit wir gasförmiges Wasser erhalten.

Das "beheizte Eudiometer" kann daher auch kein Wasser als Sperrflüssigkeit verwenden. Dafür wird Quecksilber eingesetzt.

Beheiztes Eudiometer:

      Entwurf                                                    Realexperiment

Wegen der Gefährlichkeit wollte auch der Lehrer den Versuch nicht durchführen. Er zeigte uns aber einen Videofilm davon.

Ergebnis von Punkt 7:

Bei über 100°C entstehen aus zwei Volumenteilen Wasserstoff und einem Volumenteil Sauerstoff immer zwei Volumenteile Wasserdampf.

Film: A03B¹
 3:06