Kursangebot | | Auswirkungen der industriellen Nutzung von Wasser, Säuren, Basen und Salzen auf Menschen und Umwelt

Auswirkungen der industriellen Nutzung von Wasser, Säuren, Basen und Salzen auf Menschen und Umwelt

01. Welche Bedeutung hat Wasser?

Wasser (H2O) ist die wichtigste Verbindung auf der Erde. Täglich werden große Mengen Wasser in der Industrie und in den Haushalten verbraucht.

Wasser ist eine farblose, geschmacklose Flüssigkeit, die als natürliches Wasser stets verunreinigt vorkommt. Trinkwasser ist aufbereitetes natürliches Wasser, das klar, farb- und geruchlos sowie frei von krankheitserregenden Bakterien sein soll.

Wasser hat eine sehr große Wärmekapazität. Es benötigt beim Erwärmen sehr viel Energie und gibt beim Abkühlen auch viel Energie wieder ab. Für das Klima auf der Erde ist das eine entscheidende Eigenschaft. Annähernd ausgeglichene Temperaturen auf der Erde, die Leben erst ermöglichen, entstehen durch das große Wärmespeichervermögen der Ozeane. Alle Stoffe, die einen vergleichbaren Molekülaufbau wie Wasser haben, besitzen sehr viel niedrigere Schmelz- und Siedetemperaturen. Nur dadurch, dass Wasser in einem sehr großen Bereich (0 °C – 100 °C) flüssig ist, konnte sich einst Leben darin entwickeln.

02. Wie lassen sich die besonderen Eigenschaften des Wassers erklären?

Die Eigenschaften des Wassers entstehen aufgrund der Eigenschaften der Wassermoleküle. Durch eine Elektronenpaarbindung sind im Wassermolekül jeweils zwei Wasserstoffatome mit einem Sauerstoffatom verbunden. Dabei zieht das Sauerstoffatom die bindenden Elektronen etwas stärker an; es entsteht dort ein Überschuss an negativer Ladung. Entsprechend bilden sich an den Wasserstoffatomen Pluspole. Diese Ladungen gleichen sich aufgrund der gewinkelten Bauweise des Wassermoleküls nicht aus. Die Moleküle mit positiven und negativen Polen heißen Dipolmoleküle.

Zwischen den Dipolmolekülen wirken sehr starke Anziehungskräfte; deshalb schließen sich Wassermoleküle zu großen Molekülgruppen zusammen. Diese starke Anziehung zwischen den Wassermolekülen wird als Wasserstoffbrückenbindung bezeichnet; sie ist die Ursache für die besonderen Eigenschaften des Wassers:

  • große Wärmekapazität

  • hohe Siede- und Schmelztemperatur

  • Dichteanomalie.

03. Was bezeichnet man als Dichteanomalie des Wassers?

Beim Gefrieren von Wasser entsteht durch die Wassermoleküle ein streng geordnetes, weiträumig aufgebautes Eisgitter, das ein größeres Volumen einnimmt als flüssiges Wasser. Diese Volumenzunahme von gefrorenem Wasser erzeugt eine große Sprengkraft (geplatzte Wasserrohre, Verwitterung ganzer Gebirge). Flüssiges Wasser hat bei 4 °C die größte Dichte und ist bei dieser Temperatur somit am schwersten. Deshalb schwimmt auch Eis auf Wasser. Das Wasser am Grund eines Sees hat auch im Winter noch 4 °C und ermöglicht es so den Wassertieren zu überleben.

04. Was ist „hartes Wasser“?

Sind im Wasser viele Calcium- und Magnesiumsalze (Härtebildner) gelöst, spricht man von „hartem Wasser“:

Regenwasser enthält immer etwas Kohlenstoffdioxid aus der Luft und löst so neben anderen Salzen auf dem Weg durch den Boden auch Kalk (z. B. Kalkgebirge, kalk- und gipshaltige Böden):

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Aus schwer löslichem Calciumcarbonat entsteht das gut lösliche Calciumhydrogencarbonat, das jetzt in Wasser gelöst vorliegt (Grundwasser). Wird dieses harte Wasser erwärmt, zerfällt das Calciumhydrogencarbonat wieder in Kalk, Kohlendioxid und Wasser:

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Die Ablagerungen des Kalkes als Kesselstein sind unerwünscht. Sie stören die Funktionsfähigkeit von Wasserleitungen, Rohren, Kesseln und Heizstäben. Da die angesetzte Kalkschicht auch Wärme schlecht leitet, verbrauchen verkalkte Geräte mehr Energie.

05. Was bezeichnet man als Carbonathärte?

Die Carbonathärte wird auch als vorübergehende Härte bezeichnet. Sie ist durch Kochen weitgehend entfernbar. Wird hartes Wasser gekocht, so setzt sich Kalk ab; das Wasser wird weicher, da ein Teil der gelösten Salze entfernt wird.

06. Was versteht man unter Nichtcarbonathärte und Gesamthärte?

Die auch nach dem Abkochen noch vorhandene Resthärte wird als Nichtcarbonathärte oder bleibende Härte bezeichnet. Sie ist auch nach dem Abtrennen von Kalk noch vorhanden und lässt sich nicht durch Kochen entfernen. Sie wird verursacht durch gelöste Salze (z. B. Calciumsulfat, Magnesiumsulfat), die nach dem Abkochen an Säuren gebunden bleiben.

Die Gesamthärte des Wassers setzt sich wie folgt zusammen:

Gesamthärte =Carbonathärte
(vorübergehende Härte)
+Nichtcarbonathärte
(bleibende Härte)

Wasser, das aus Urgesteinen oder anderen wenig verwitterten Silikaten entspringt, ist ebenso wie Regenwasser oder Kondenswasser industrieller Anlagen „weich“; es enthält weniger Calcium- und Magnesiumsalze.

07. Wie kann die Wasserhärte gemessen werden?

In der Neufassung des Waschmittel- und Reinigungsgesetzes von 2007 wurden u. a. die Härtebereiche an europäische Standards angepasst. Darin wird die Angabe Millimol Gesamthärte je Liter (mmol/l) durch Millimol Calciumcarbonat je Liter ersetzt.

Bei den neuen Härtebereichen werden die (früheren) Bereiche 3 und 4 zum Härtebereich „hart“ zusammengefasst und die bisherigen Ziffern „1, 2, 3 und 4“ durch die Beschreibungen „weich“, „mittel“ und „hart“ ersetzt.

Neue Härtebereiche:

HärtebereichHärtegrad in Millimol Calciumcarbonat je LiterHärtegrad in °dH
weich
mittel1,5 bis 2,58,4 bis 14
hart> 2,5> 14

08. Warum ist hartes Wasser bei der Verwendung unerwünscht?

  • Es bilden sich unlösliche Ablagerungen (Kesselstein), welche isolierend wirken.

  • Beim Waschvorgang wird mehr Seife bzw. Waschmittel benötigt.

  • Die Strömungsverhältnisse in Rohrleitungssystemen verschlechtern sich.

09. Welche Möglichkeiten gibt es, Wasser zu enthärten?

Für die technische Verwendung von Wasser wird möglichst weiches Wasser benötigt. Dazu ist es erforderlich, das vorhandene Wasser zu enthärten oder zu entsalzen:

  • Durch Erhitzen:

    Dabei wird nur die Carbonathärte beseitigt, die Nichtcarbonathärte ist weiter vorhanden.

  • Durch Hinzufügen Niederschlag bildender Chemikalien, z. B. Soda, Phosphate:

    Die Niederschläge werden filtriert (über Kies, Sand, Ton, Aktivkohle, Keramik) oder man lässt sie in Klärbecken absetzen.

  • Durch Ionenaustauscher:

    Hier werden die im Wasser gelösten Ionen (z. B. Calcium durch andere Ionen, z. B. Natrium) ersetzt. Das Wasser durchfließt ein Rohr, das mit Ionenaustauscher-Kunstharzen (Natriumwofatit, Natriumpermutit) gefüllt ist.

  • Durch Zusatz von Komplexbildnern oder löslichen Ionen-Austausch-Chemikalien werden die Härtebildner (Calcium, Magnesium) gebunden und somit dem Wasser entzogen.

10. Wie gewinnt man Trinkwasser?

Das vorhandene Grundwasser reicht oft zur Trinkwassergewinnung nicht aus. Deshalb muss zusätzlich aus Flüssen und Seen Trinkwasser aufbereitet werden. Dazu wird dieses Oberflächenwasser aufwändig gereinigt:

  1. Gewinnung des Uferfiltrats:

    In Flussnähe wird Wasser aus einem Brunnen entnommen.

  2. Versprühen des Uferfiltrats:

    Dieses Uferfiltrat wird nach entsprechender Vorbehandlung in einem Wasserschutzgebiet in die Luft versprüht. Dabei löst sich im Wasser viel Sauerstoff.

  3. Versickern im Boden:

    Wenn das Wasser wieder versickert, bleibt ein großer Teil der Verunreinigungen im Boden hängen. Dieser Weg des Wassers durch den Boden kann bis zu einem halben Jahr dauern. Mithilfe des im Wasser gelösten Sauerstoffs bauen Kleinstlebewesen im Boden weitere Verschmutzungen ab.

  4. Wassergewinnung und Filtration:

    Wenn später das Wasser aus Brunnen wieder an die Oberfläche befördert wird, läuft es nochmals durch Reinigungsfilter; es wird „filtriert“. Dadurch ist es möglich, Schwebestoffe und Mikroorganismen zu entfernen. Geringe Silberanteile in den Filterstoffen wirken gegen Bakterien.

  5. Desinfektion:

    Das so gewonnene Trinkwasser wird vor seinem Weg durch viele Kilometer Rohrleitungen noch desinfiziert; es werden dadurch Keime und Bakterien abgetötet. Diese Desinfektion kann z. B. durch Einblasen von Chlorgas, durch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht oder durch Zusatz von Ozon (Entfernung von Restozon notwendig) erfolgen.

11. Wie sind gewerbliche und industrielle Abwässer zu behandeln?

Im Verlauf von Produktionsprozessen entstehen verschiedenste gewerbliche und industrielle Abwässer. Beispielsweise sind Abwässer der lebensmittelverarbeitenden Industrie häufig mit organischen Schmutzstoffen belastet. Dagegen sind die Abwässer von metallverarbeitenden Betrieben oft mit stark toxischen anorganischen Stoffen wie Metall- oder Cyanid-Ionen vergiftet. Diese Abwässer können z. B. durch Oxidation, Reduktion, Fällung oder Filtration entgiftet werden.

Insgesamt verursacht die Industrie wesentlich mehr Abwässer als die privaten Haushalte. Da die Abwassergebühren ständig steigen und zahlreiche Gesetze zum Schutz der Gewässer den Firmen umfangreiche Auflagen erteilen (Wasserhaushaltsgesetz, Klärschlammverordnung, Abwasserabgabengesetz, Mindestanforderungen an das Einleiten von Abwasser in Gewässer), ergreifen viele Betriebe inzwischen eigene Maßnahmen, um die Abwassermengen und schädlichen Inhaltsstoffe zu reduzieren. Das wird z. B. durch Maßnahmen erreicht, wie:

  • betriebsinterne Abwasserreinigung

  • Rückführung gereinigten Wassers in den Produktionskreislauf

  • Umstellung der Produktion auf abwasser-, schadstoff- und abfallarme Verfahren.

12. Was sind Säuren und Basen?

Auf der Grundlage der Ionentheorie von Arrhenius werden Säuren und Basen folgendermaßen erklärt:

  • Säuren sind chemische Verbindungen, die in wässriger Lösung in positiv geladene Wasserstoffionen H+ und negativ geladene Säurerestionen dissoziieren.

    Beispiel

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    Es gibt

    • sauerstofffreie Säuren, wie z. B. Chlorwasserstoff (HCL) oder Schwefelwasserstoff (H2S) und

    • sauerstoffhaltige Säuren, wie z. B. Schwefelsäure (H2SO4) oder Salpetersäure (HNO3).

    Die sauerstoffhaltigen Säuren entstehen durch Reaktion von Nichtmetalloxiden mit Wasser:

    Nichtmetalloxid + Wasser
    Säureanhydrid
    Säure
    z. B.: SO3 + H2OH2SO4

    Dabei können Nichtmetalle, die mit mehreren Wertigkeiten auftreten, mehrere Säuren bilden.

  • Basen sind chemische Verbindungen, die mit Säuren Salze bilden. Die typischen Eigenschaften von Basen werden von den Hydroxidionen OH- verursacht. Alle Metalle können Basen (Metallhydroxide) bilden.

    Basen entstehen aus folgenden Reaktionen:

    1. unedles Metall + WasserBase + Wasserstoff
      Metallhydroxid
      z. B.: 2Na + 2H2O2NaOH + H2
    2. Metalloxid + Wasser
      Basenanhydrid
      Base
      z. B.: CaO + H2OCa(OH)2

    Basen dissoziieren in der Schmelze und in wässriger Lösung in positive Metallionen und negative Hydroxidionen. Die wässrigen Lösungen von Basen werden im Allgemeinen auch als Laugen bezeichnet.

    Bekannte Basen und deren Laugen sind z. B.:

    - Natriumhydroxid
     (Ätznatron)
    NaOHNatronlauge
    - Kaliumhydroxid
     (Ätzkali)
    KOHKalilauge
    - Calciumhydroxid
     (Ätzkalk)
    Ca(OH)2Kalkwasser

Im Überblick:

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13. Welche typischen Eigenschaften haben Säuren?

Die typischen Eigenschaften der Säuren werden von hydratisierten Wasserstoffionen (Hydroniumionen H3O+) hervorgerufen. Alle Säuren sind potenzielle Elektrolyte.

Erst in wässriger Lösung werden unter dem Einfluss der Dipolmoleküle des Wassers Wasserstoffionen abgespalten, die sofort zu Hydroniumionen (H3O+) hydratisiert werden (vgl. oben, Hydratation):

$$H^{+} + H_{2}O → H_{3}O^{+}$$

(Wasserstoffionen H+ sind in wässriger Lösung nicht existenzfähig. Dennoch wird der Einfachheit halber häufig von „Wasserstoffionen“ gesprochen.)

Beispiel

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Potenzielle Elektrolyte

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14. Wie wird die Säure-Base-Reaktion als Abgabe und Aufnahme von Protonen erklärt?

Eine zweite Definition der Säuren und Basen nach dem dänischen Chemiker Brönsted erklärt die Säure-Base-Reaktion als Abgabe und Aufnahme von Protonen. Danach sind

  • Säuren: Stoffe, die Protonen abgeben können und

  • Basen: Stoffe, die Protonen aufnehmen können.

In diesem Sinne werden

  • Säuren als Protonendonatoren (donator = Geber) und

  • Basen als Protonenakzeptoren (acceptor = Empfänger)

bezeichnet.

Es entsteht so eine Analogie zu den Redoxreaktionen, bei denen eine Abgabe und Aufnahme von Elektronen stattfindet. Wie jedem Reduktionsmittel ein Oxidationsmittel entspricht, gibt es nach Brönsted zu jeder Säure eine entsprechende Base, die als „korrespondierendes Säure-Base-Paar“ bezeichnet wird. Allgemein gilt: Je leichter eine Säure (Base) ihr Proton abgibt (aufnimmt), desto stärker ist sie.

Stoffe, die sowohl als Säure als auch als Base auftreten können, werden Ampholyte genannt (z. B. Wasser, Ethanol, Eisessig). Säuren und Basen werden nach Brönsted unter dem Oberbegriff Protolyte zusammengefasst. Die auf einem Protonenübergang beruhenden Reaktionen werden allgemein als protolytische Reaktionen bzw. kurz Protolysen bezeichnet.

15. Was sind Salze?

Nach der Ionentheorie von Arrhenius sind Salze Verbindungen, die in der Schmelze und in wässrigen Lösungen in positiv geladene Metallionen und negativ geladene Säurerestionen dissoziieren.

Beispiel

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Salze liegen schon im Kristallgitter in Form von Ionen vor. Sie sind echte Elektrolyte. An die Stelle von Metallionen kann auch das Ammoniumion NH4+ treten.

16. Welche Möglichkeiten der Salzbildung gibt es?

  1. Neutralisation

    Base + SäureSalz + Wasser
    2 KOH + H2SO4K2SO4 + 2 H2O

    Es entstehen Salze, wenn äquivalente Mengen einer starken Säure und einer starken Lauge miteinander gemischt werden. Die entstehende Lösung reagiert dann weder sauer noch basisch, sondern neutral. Diese Reaktion nennt man Neutralisation.

  2. Neutralisation unter Beteiligung von Anhydriden

    1. Metalloxid + Säure
      Basenanhydrid
      Salz + Wasser
      CuO + H2SO4CuSO4 + H2O
    2. Base + Nichtmetalloxid
      Säureanhydrid
      Salz + Wasser
      Ca(OH)2 + CO2CaCO3 + H2O
    3. Metalloxid + Nichtmetalloxid
      Basenanhydrid Säureanhydrid
      Salz
      CaO + SiO2CaSiO3
  3. Metall + SäureSalz + Wasserstoff
    Zn + 2 HClZnCl2 + H2
  4. Metall + NichtmetallSalz
    2 Na + Cl22 NaCl

17. Was sagt der ph-Wert aus?

Der ph-Wert sagt aus, wie stark alkalisch oder sauer Wasser oder eine Lösung reagiert. Stoffe mit dem ph-Wert 7 reagieren weder sauer noch alkalisch, sondern neutral.

Zur Angabe des ph-Wertes verwendet man eine Skala mit Zahlenwerten zwischen 0 und 14. Diese Werte beruhen auf einer Umrechnung des negativen dekadischen Logarithmus der Konzentration der Wasserstoffionen in eine reelle Zahl (ph = -log c(H+)) und sind damit übersichtlicher und besser vergleichbar:

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18. Was ist ein Indikator?

Indikatoren sind Verbindungen, die bei Anwesenheit einer Säure oder einer Base ihre Farbe ändern können und damit anzeigen, ob eine Lösung sauer, alkalisch oder neutral ist. Dieser Farbumschlag entsteht durch Veränderung der chemischen Struktur des Indikators (Aufnahme oder Abgabe eines Protons analog korrespondierendes Säure-Base-Paar). Indikatoren gibt es in Form einer Lösung oder eines getränkten Papiers. Ph-Messgeräte zeigen den Wert von 0 – 14 direkt an.

Beispiel

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Die gebräuchlichsten Indikatoren sind:

  • Lackmus nimmt bei Anwesenheit einer Säure ein Proton auf und färbt sich rot; gibt in einer Base ein Proton ab und färbt sich blau.

  • Phenolphthalein bleibt farblos in neutralen und sauren Lösungen; färbt sich rot in basischen Lösungen.

  • Methylorange färbt sich rot in sauren Lösungen, gelb in neutralen und basischen Lösungen.

Die Umschlagsbereiche der jeweiligen Indikatoren sind in entsprechenden Tabellen der Fachliteratur zu finden.

19. Welchen Vorgang bezeichnet man als Hydrolyse?

Die Hydrolyse ist nach Arrhenius eine Zerlegung von Salzen mithilfe von Wasser in Säure und Base. Die Hydrolyse ist die Umkehrung der Neutralisation:

 Hydrolyse 
Säure + BaseSalz + Wasser
  
 Neutralisation 

Die Hydrolyse findet nur bei solchen Salzen statt, die aus einer schwachen Säure oder einer schwachen Base aufgebaut sind. Salze aus einer starken Säure und einer starken Base unterliegen nicht der Hydrolyse. Ihre wässrigen Lösungen reagieren neutral.

20. Wie entsteht „saurer Regen“ und welche Folgen für die Umwelt sind damit verbunden?

Brennstoffe wie Erdöl, Erdgas und Kohle enthalten als natürlichen Bestandteil immer Schwefel, der zu Schwefeldioxid verbrennt. Trotz Entschwefelung gelangen in die Umwelt immer noch große Mengen von Schwefeldioxid, das mit dem Wind teilweise über weite Entfernungen transportiert wird.

In der Luft wird das farblose, stechend riechende Gas oxidiert und verbindet sich mit der Luftfeuchtigkeit zu Säure. Diese Schwefelsäure ist Mitverursacher des sauren Regens und stellt eine Gefahr für Mensch und Umwelt dar. Die Natur wird von diesen Stoffen belastet, indem z. B. der Boden sauer wird und viele Pflanzen geschädigt werden. Beim Menschen wirkt Schwefeldioxid vor allem in Kombination mit Staub auf die Atemwege (Reizungen, Entzündungen).

Auch Fassaden, Betonbauten und Kunstdenkmäler werden angegriffen. Die aggressiven Säuren zersetzen die Baustoffe und führen zum Verfall der Bauwerke. Ebenso wird die Rostbildung von Eisen und Stahl beschleunigt; es entstehen erhebliche Schäden durch Korrosion. Regen in Gegenden, die von Schadstoffen unbelastet sind, hat einen ph-Wert von 5,6, ist also sehr schwach sauer. Dieser natürliche Wert hat sich, verursacht durch säurebildende Emissionen, in Nordamerika bis ph = 4,1 und in Mitteleuropa bis ph = 4,3 verändert.

21. Was ist Natronlauge und wozu kann sie verwendet werden?

Eine besonders wichtige Lauge in der Industrie ist die Natronlauge, die wässrige Lösung von Natriumhydroxid (NaOH, auch Ätznatron). Das NaOH kommt als eine feste, kristalline und stark ätzende Substanz in Form von Schuppen, Stangen oder Plätzchen in den Handel. Sie ist leicht löslich und muss immer verschlossen aufbewahrt werden. Konzentrierte Natronlauge greift Metalle, aber auch Glas durch Herauslösen von Kieselsäure stark an und sollte i. d. R. vor Gebrauch frisch hergestellt werden. Lösungen auf Vorrat werden in Kunststoffgefäßen aufbewahrt. Natronlauge wird in der Industrie vielfältig verwendet:

  • zur Herstellung von Zellstoff für Papier und Verbandmaterial

  • zur Reinigung von Pfandflaschen

  • zur Herstellung von Aluminium und Seifen

  • in Backbetrieben: Laugengebäck wird kurz vor dem Backen in 3 %ige Natronlauge getaucht.

22. Welche Bedeutung hat Salz in der Industrie?

Salz (Natriumchlorid) gibt es je nach Anwendung in verschiedenen Formen:

  • Steinsalz (Industriesalz): natürlicher Rohstoff

  • Speisesalz (Tafelsalz, Siedesalz): Gewinnung durch Eindampfen gereinigter Steinsalzlösungen

  • Gewerbesalz: zur Herstellung von Kältemischungen, Streusalz im Winter

  • Viehsalz: hat durch ca. 10 % Eisenoxidanteil eine braunrote Farbe (denaturiertes Salz)

Über 75 % der gesamten Salzproduktion wird als Industriesalz verwendet. Als ein sehr preiswerter Rohstoff ist Salz die Basis zur Herstellung verschiedenster Produkte:

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Außer Natriumchlorid wird in der Industrie Kaliumchlorid KCl als Ausgangsstoff für die Herstellung mineralischer Düngemittel verwendet. Es kommt als Kalisalz vor.

Calciumcarbonat CaCO3, das als Marmor, Kalkstein oder Kreide vorkommt, wird als Baumaterial und als Ausgangsstoff für das Kalkbrennen verwendet (z. B. Herstellung von Mörtel und Zement).