Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 01.08.14


Schwermetalle im Mineralwasser

Vortrag von Laura Kern im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Anorganische Chemie", WS 13/14


Gliederung:

1 Mineralwasser
    
1.1 Definition "Mineralwasser"
     1.2 Die wichtigsten Elemente der Erdkruste
     1.3 Entstehung von Mineralwasser

2 Der Lösungsvorgang

3 Versuch zum Löslichkeitsprodukt

4 Löslichkeit in Wasser

5 Literatur


1 Mineralwasser

1.1 Definition "Mineralwasser"

Als Mineralwasser wird natürliches, aus einer Quelle gewonnenes und mit Mineralstoffen angereichertes Wasser bezeichnet.

1.2 Die wichtigsten Elemente der Erdkruste

Mineralwasser wird aus 150 – 1000 m Tiefe gewonnen. Für die Betrachtung der Entstehung von Mineralwasser ist es wichtig, zu wissen, welche Elemente die Erdkruste, in welchen Mengen enthält. Die wichtigsten Inhaltsstoffe sind in Tabelle 1 aufgelistet.

Tabelle 1: Anteil der Elemente der Erdkruste in g/kg Trockensubstanz

Element Boden/Mittelwert in g/kg Trockensubstanz
Si 330
Al 70
Fe 40
Ca 15
K 14
N 2
P 0,8
Pb 0,03
Cd 0,0014

Diese Elemente liegen hauptsächlich in Verbindungen vor. An erster Stelle Silicate, gefolgt von Hydroxiden, Oxiden, Phosphaten, Sulfaten und Carbonaten. Schwermetalle wie Blei und Cadmium sind nur in sehr geringen Mengen in der Erdkruste enthalten. Hauptbestandteil der Erdkruste ist Silizium, gefolgt von Aluminium und Eisen.

1.3 Entstehung von Mineralwasser

Zunächst dringt Wasser als Niederschlag in den Boden ein. In einem Prozess von vielen Jahren sickert es durch verschiedene Erd- und Gesteinsschichten, bis es sich in geschützten, unterirdischen Wasservorkommen sammelt. Auf diesem langen Weg nach unten wird das Wasser durch die Filterwirkung der Gesteine gereinigt und mit Mineralstoffen angereichert. Je langsamer das Wasser durchsickert, desto mehr Mineralstoffe kann das Wasser lösen. Je nach Region bindet das Wasser unterschiedlich viele Mineralstoffe wie z. B. Mg2+, Na+, Cl-, Hydrogencarbonat oder Sulfat. Jedes Mineralwasser ist somit ein Spiegelbild seiner Region und ihrer typischen Gesteinsformationen.


Abb. 1: Entstehung von Mineralwasser:
Grundwasser, Erd- und Gesteinsschichten, Mineralwasser

Aber auch Schwermetalle wie Pb, Cd, Hg oder Cr, die für den Menschen toxisch sind, sind in den Gesteinsschichten enthalten und gehen über Jahre hinweg in Lösung. Dieser Vorgang ist eine Form der Verwitterung und somit eine von mehreren Möglichkeiten, wie Mineralstoffe, aber auch Schwermetalle ins Mineralwasser gelangen.


Abb. 2: Lösen von Mineralstoffen und Schwermetallen im Mineralwasser:
Grundwasser, Erd- und Gesteinsschichten, Mineralwasser

Um den Lösevorgang nachvollziehen zu können, muss man das Ganze auf Teilchenebene betrachten.


2 Der Lösungsvorgang

Die Löslichkeit eines Stoffes ist die maximale Menge des Stoffes, die sich bei einer bestimmten Temperatur in einem Lösemittel, wie z. B. Wasser, löst. Jedes Metall besitzt die Fähigkeit, in wässrigen Lösungen Ionen zu bilden. Eine gesättigte Lösung liegt vor, wenn der feste Bodenkörper AB im Gleichgewicht mit den Ionen A+ und B- steht:

AB       A+ + B-

Zum Beispiel:

PbCO3   Pb2+ + CO32-

Beim Lösevorgang treten Ionen aus dem Kristall in die Lösung über und werden dabei hydratisiert. Im Gleichgewicht werden genauso viele Ionenpaare A+ + B- aus der Lösung im Kristallgitter eingebaut, wie aus dem Gitter in Lösung gehen. Durch Anwendung des Massenwirkungsgesetztes auf den Lösevorgang erhält man:

K = (c(A+ ) × c(B-))/(c(AB))                K × c(AB) = c(A+) × (B-)

K × c(AB) = LPAB Löslichkeitsprodukt

Bei einer gesättigten Lösung gilt: c(A+) × c(B-) = LAB

Bei einer ungesättigten Lösung gilt: c(A+) × c(B-) < LAB

Bei einer übersättigten Lösung gilt: c(A+) × c(B-) > LAB


3 Versuch zum Löslichkeitsprodukt

Experiment Löslichkeitsprodukt bei verschieden gesättigten Lösungen
Material
  • 2 Magnetrührer mit Magnetrührstäbchen
  • 2 Bechergläser
Chemikalien
  • Natriumcarbonat
Durchführung Einerseits werden 10 g Na2CO3 in 60 ml Wasser, andererseits in 60 ml einer fast gesättigten Na2CO3-Lösung gelöst.

Beobachtung Na2CO3 löst sich nach kurzer Zeit vollständig in Wasser, in der fast gesättigten Na2CO3-Lösung löst sich das Na2CO3 nicht vollständig.
Interpretation Die fast gesättigte Na2CO3-Lösung kann nur so viel Na2CO3 aufnehmen, bis sie gesättigt ist. Überschüssiges Na2CO3 kann nicht mehr gelöst werden. Das reine Wasser kann hingegen viel mehr Na2CO3 aufnehmen, da es noch völlig ungesättigt ist. Selbst nachdem 10 g Na2CO3 im Wasser gelöst sind, liegt noch keine vollständig gesättigte Lösung vor.

4 Löslichkeit in Wasser

Nicht jede Verbindung löst sich gleich gut in Wasser. Das Löslichkeitsprodukt gibt an, wie gut löslich ein Stoff z. B. in Wasser ist. Bei 25 °C ist das LP von PbCO3 = 3 * 10-14 mol2/l2,
das LP von CaCO3 = 5 * 10-9 mol2/l2, das LP von MgCO3 = 3 * 10-5 mol2/l2
und das LP von Na2CO3 = 2.5 × 10-6 mol2/l2.

Die Löslichkeitsprodukte von unterschiedlichen Verbindungen haben meist unterschiedliche Einheiten. Nur Löslichkeitsprodukte mit der gleichen Einheit sind direkt miteinander vergleichbar. Bei gleichen Einheiten kann man sagen, je kleiner das Löslichkeitsprodukt ist, desto schwerlöslicher ist die Verbindung.

Schwermetallverbindungen wie beispielsweise PbCO3 lösen sich wesentlich schlechter in Wasser als Mineralstoffverbindungen. Jedoch geht während des Durchsickerns des Bodens ein sehr geringer Teil der Schwermetalle in Lösung. Des Weiteren wird dieser Vorgang, beziehungsweise das Löslichkeitsprodukt, durch Faktoren wie Temperatur, Druck und pH-Wert beeinflusst. Die Löslichkeit wird umso besser, je höher die Temperatur und der Druck sind und desto saurer der Boden ist. Da Druck und Temperatur mit der Bodentiefe zunehmen, wird auch die Löslichkeit von Schwermetallen mit der Tiefe verbessert. Allerdings befindet sich in 150 – 1000 m Tiefe eine so geringe Konzentration an Schwermetallen, dass die Menge an gelösten Schwermetallen im Mineralwasser weit unter dem gesetzlich zugelassenen Wert liegt. Für Blei z. B ist der Grenzwert 10 μl/l.

Demnach ist Mineralwasser bedenkenlos trinkbar.


5 Literatur:

  1. W. Larcher: Ökophysiologie der Pflanzen, Ulmer, Stuttgart, 6. Auflage, 2001.
  2. E. Riedel, C. Janiak: Anorganische Chemie, De Gruyter, Berlin, 8. Auflage, 2011.
  3. http://www.imn.htwk-leipzig.de/~stich/Bilder_UCH/IV.II.pdf , Stand 19.12.13.
  4. http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/umat/loeslichkeitsprodukt/
    loeslichkeitsprodukt.htm , Stand 19.12.13.
  5. http://www.mineralwasser.com/themen/naturprodukt-mineralwasser/naturprodukt/
    article/die-entstehung-von-mineralwasser.html , Stand 19.12.13.
  6. http://www.mineralwasser.com/themen/naturprodukt-mineralwasser/naturprodukt/
    article/wasser-ist-nicht-gleich-wasser.html , Stand 19.12.13.

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 01.08.14