Hintergrundwissen zum Wasser-Experiment

Verschiedene Mineralwasserflaschen

In Chemie haben wir gelernt: Chemisch gesehen ist Wasser H₂O! Aber wenn es „nur“ Wasser ist, wieso stehen auf den Mineralwasser-Flaschen so viele andere Elemente als Inhaltsstoffe? Und wie du siehst, sind die Konzentrationen nicht immer gleich. Manchmal schmeckt man sogar einen Unterschied! … ja klar, es ist ja „Mineralwasser“ und kein „Leitungswasser“… Aber ist das Mineralwasser wirklich anders als unser Leitungswasser? Und warum unterscheiden sich sowohl die Konzentrationen der Inhaltsstoffe in den Mineralwässern als auch offensichtlich das Leitungswasser in unterschiedlichen Orten? Und woran liegt das also?

Wie findet man heraus, warum genau diese Stoffe in das Leitungswasser kommen?

Für jede wissenschaftliche Arbeit ist eine Recherche im Vorfeld notwendig. Für die Beantwortung der Fragestellung muss man zuerst herausfinden, wo die Quelle für das Leitungswasser liegt. Dies ist bei den meisten Stadtwerken online sehr genau beschrieben. Danach nimmt man sich Karten zur Hand. Aus der Schule kennst du zum Beispiel topographische Karten oder Rohstoffkarten. Es gibt aber auch geologische Karten. Das bedeutet, dass du eine Karte finden musst, die die Gesteine anzeigt.

1. Geologische Karten besorgen

Für Bayern sind diese Karten beispielsweise im Umweltatlas Bayern hinterlegt (links unter dem Reiter Karteninhalte aktivierst du die Kategorie Geologie) oder für Baden-Württemberg im Kartenviewer des Landesamtes für Geologie, Rohstoffe und Bergbau (links die Kategorie Geologische Übersichtskarte aktivieren). Du kannst auch in deinem Atlas eine geologische Karte suchen, die den jeweiligen Kartenausschnitt zeigt.

2. Standort der Probe finden und Gestein anhand der Legende ablesen

Du suchst also zuerst den Ort, wo deine Wasserquelle liegt. An diesem Ort kannst du dann anhand der Farben das anliegende Gestein in der Legende suchen.

3. Zusammensetzung des Gesteins recherchieren

Danach musst du nur noch herausfinden, aus welchen Elementen dieses Gestein aufgebaut ist. Dabei helfen dir folgende Artikel in unserer Geo-Wiki: Gesteine

Wie du genau mit geologischen Karten arbeitest, kannst du hier herausfinden. Anhand der geologischen Karten kann nun der Untergrund der Gebiete untersucht werden: Welches Gestein liegt vor? Woraus besteht dieses? Kann ein Zusammenhang zwischen im Wasser gelösten Ionen und dem anstehenden Gestein hergestellt werden?

Was löst sich überhaupt in Wasser?

Der Anteil der im Wasser gelösten Elemente wird durch die im Quellgebiete des Wassers vorliegende Geologie bestimmt. Entsprechend des Spruches „Steter Tropfen höhlt den Stein“ werden durch das Wasser im Gestein enthaltene Elemente gelöst. Denn jedes Gestein besteht aus unterschiedlichen Mineralen, welche wiederum aus verschiedenen chemischen Elementen aufgebaut sind. Dabei lösen sich Mineralien, die in Form von Salzen vorliegen. Am verbreitetsten sind Carbonate (z.B. Kalkstein CaCO₃, Dolomit CaCO₃ * MgCO₃, Magnesit MgCO₃), Chloride (Steinsalz NaCl), Sulfate (Anhydrit CaSO₄, Gips CaSO₄ * 2 H₂O) und zu geringem Teil auch Eisen- oder Manganverbindungen. Beim Lösungsvorgang löst sich das Kristallgitter der Salze auf und die Ionen befinden sich im Wasser in Lösung ^[1]:

Kristall AB ⇌ gelöste Ionen A⁺ + B^-

Die nun im Wasser gelösten Ionen werden weiter in die Tiefe transportiert (Auswaschung) und dem Grundwasserkörper zugeführt. Aus dem Grundwasserkörper wird nun das Wasser für die öffentliche Wasserversorgung entnommen.

Wusstest du, dass...
unsere Wasserversorgung durch die Trinkwasserverordnung geregelt und geschützt ist? Sie sorgt dafür, dass Grenzen für Schadstoffe eingehalten werden und Krankheitserreger nicht in unser Trinkwasser gelangen.

Da das Ganze vielleicht ein wenig schwer zu verstehen ist, erklären wir es im Folgenden anhand zweier Raumbeispiele, die du im späteren Verlauf des Experimentes wieder antreffen wirst: München und Eberbach (im Odenwald).

Wir vergleichen nun München und Eberbach:

Die Karten des Umweltatlas des LfU Bayern zeigen den geologischen Untergrund der drei Quellgebiete Münchens sowie des Eberbacher Umlandes. Hierbei ist durch die Legende zu sehen, dass südlich von München Kalksteine dominieren, während in Eberbach Buntsandstein vorliegt. (Bild geologische Karte folgt)

In München wird das Wasser aus dem Mangfall-, dem Loisachtal und der Schotterebene entnommen. Diese Gebiete befinden sich im Alpenvorland der nördlichen Kalkalpen. Durch glaziale und fluviale Prozesse wurde Kalkstein in Richtung des Vorlandes transportiert und bildet nun das Ausgangssubstrat, durch das das Wasser in den Grundwasserspeicher gelangt. Dabei wird das schwer lösliches CaCO₃ durch CO₂-haltige Wasser in lösliches Calciumhydrogencarbonat überführt:

CaCO₃ + H₂O + CO₂ ⇌ Ca²⁺ + 2 HCO₃^- ^[2]

Damit kannst du dir jetzt auch erklären, warum in München mehr Calcium und Magnesium im Leitungswasser ist als in Eberbach. In Eberbach liegt nämlich kein Kalkstein vor, aus dem sich diese Ionen lösen könnten. Der vorliegende Sandstein im Odenwald besteht aus Silikaten, welche schwer löslich sind. Übrigens ist das derselbe Bestandteil, der auch im Rosenquarz vorkommt. Dieser löst sich auch nicht im Wasser.

Und was ist mit der Verkalkung des Wasserkochers?

Weiße Kalkablagerungen am Boden eines Wasserkochers

Die Verkalkung eines Wasserkochers wird durch die Wasserhärte bedingt, die in Grad deutscher Härte angegeben wird. Diese wird durch Calcium- und Magnesiumcarbonat bestimmt, das in Wasser gelöst vorliegt. Calciumcarbonat ist umgangssprachlich auch Kalk. Bei erhöhter Temperatur sinkt die Löslichkeit von Kalk ^[2] und er fällt in Form von weißen Flocken als Feststoff im Wasserkocher aus, lagert sich als matte weiße Schicht im Kocher oder an Wasserhähnen ab. Das ist also die Rückreaktion von der Lösungsreaktion oben:

Ca²⁺ + 2 HCO₃^- ⇌ CaCO₃ + H₂O + CO₂

Um zu betrachten, wieso es in München sehr stark zu diesem Phänomen kommt, während beispielsweise in Eberbach keine Kalkablagerungen aufzufinden sind, wurden die Ca- und Mg-Konzentrationen verglichen. Eine Leitungswasserprobe aus München weist in unseren Analysen eine Ca-Konzentration von 78,6 mg/L auf und eine Probe aus Eberbach lediglich 13,3 mg/L. Magnesium ist in München mit einer Konzentration von 17,9 mg/L und in Eberbach von 3,5 mg/L vorzufinden. Der hohe Kalkgehalt erklärt die starke Ausfällung von Kalk.

Parameter der Wasseranalyse

Neben den für uns interessanten Konzentrationen von Calcium und Magnesium, gibt es weitere Parameter, die für unsere folgenden Analysen relevant sind. Wichtige Parameter bei der Wasseranalytik sind:

pH-Wert: Maß, ob die Flüssigkeit sauer, neutral oder basisch ist
Leitfähigkeit: Maß für die Menge an gelösten, leitenden Stoffen
Redoxpotenzial: Maß für die Reduktions- bzw. Oxidationskraft von Stoffen, die Aufnahme- und Abgabefähigkeit von Elektronen und Verfügbarkeit von Sauerstoff
Temperatur: Je nach Temperatur können Stoffe gelöst sein oder als Feststoff ausfallen
Chemische Inhaltsstoffe: Elemente, Schadstoffe, Nährstoffe

Wenn du selbst auch Leitungswasserproben nehmen und analysieren willst, dann haben wir hier eine kleine Anleitung für dein Forschungsprojekt zusammengefasst.

Referenzen

↑ Coldewey, B., Hölting, W. G. (2009): Hydrogeologie. Einführung in die Allgemeine und Angewandte Hydrogeologie. Heidelberg: Spektrum.
↑ ^2,0 ^2,1 Janiak, C. & Riedel, E. (2015): Anorganische Chemie. Berlin: De Gruyter.

Navigation

Für die jeweiligen Unterseiten dieses Experiments, klicke auf die einzelnen Kacheln.

Autor:innen

Dieser Artikel wurde geschrieben und gegengelesen von:

Daniel Schmid, Leon Koß

Du möchtest wissen, wer hinter den Autor:innen und Reviewer:innen steckt? Dann schau doch beim GEOWiki-Team vorbei!

[1] Coldewey, B., Hölting, W. G. (2009): Hydrogeologie. Einführung in die Allgemeine und Angewandte Hydrogeologie. Heidelberg: Spektrum.

[Janiak-2] 2,0 ^2,1 Janiak, C. & Riedel, E. (2015): Anorganische Chemie. Berlin: De Gruyter.

[1]

[2]