Prof. Blumes Bildungsserver für Chemie


Tipp des Monats Oktober 2024 (Tipp-Nr. 325)


Beim Experimentieren den Allgemeinen Warnhinweis unbedingt beachten.


Wasser in Notfällen

Jens Schorn

Bild 1: Notwasserbrunnen Nr. 291 in Berlin Wedding
(Foto: Schorn)

Einerseits ist der Zugang zu sauberem und frischem Trinkwasser in unseren Regionen eine Selbstverständlichkeit. Andererseits wird die Angreifbarkeit auf diesen lebenswichtigen Stoff in diesem Sommer durch vermutete Sabotage, „Verdacht auf Sabotage gegen die Bundeswehr – kontaminiertes Leitungswasser?“ [1], auf Anlagen zur Trinkwassergewinnung deutlich.

Meist wird von zuständigen Behörden, wie auch in diesem Fall in Köln-Wahn, geraten, keinesfalls Trinkwasser aus dem Leistungsnetz der Kommune zu entnehmen. Da eine Trennung von Trinkwasser- und Brauchwasserleitungen bislang in den Kommunen die große Ausnahme ist, suchen die betroffenen Bürger in Notfällen nach Alternativen um an Trinkwasser und an Brauchwasser für die Körperhygiene und das Wäschewaschen zu gelangen.

In Berlin gibt es im öffentlichen Raum ca. 224 Trinkbrunnen [2] sowie aus historischen Gründen 2000 sogenannte Straßenbrunnen. Von diesen 2000 Straßenbrunnen sollen zwei Drittel Wasser in Trinkwasserqualität liefern [3].

Auf eine Anfrage an den Senat von 2017, welchen Zwecken diese in Berlin vorhandenen Straßenbrunnen (Notbrunnen) vorrangig haben, lautete die Antwort: „Sie dienen vorrangig der Sicherstellung einer Ersatz- bzw. Notwasserversorgung der Bevölkerung im Krisen- bzw. Katastrophenfall bei einem großflächigen Ausfall der netzgebundenen öffentlichen Wasserversorgung.“ [9]

Die Standorte dieser Notbrunnen sind leicht herauszufinden [4,5], aber die Anzahl an verfügbaren Brunnen, die Trinkwasserqualität liefern ist fortlaufend zu gering, gerade um in Notfällen den Bedarf abzudecken.

Somit stellen sich folgende Fragen:


In welchem Umfang kann man dieses Wasser aus solchen Notwasserbrunnen nutzen?
Kann man dieses Wasser in einfacher Form aufbereiten, um es nutzen zu können?
Diese beiden Fragen wurde im Rahmen eines Experimentierkurses untersucht.

  1. Hierzu wurden schulische Analysemöglichkeiten genutzt um die Wasserqualität hinsichtlich messbarer Ionensorten zu bestimmen Tipp-Nr. 324.
  2. Anschließend wurde untersucht, welche Wirksamkeit käufliche Wasserfilter auf die Wasserqualität dieser Notbrunnen haben. Tipp-Nr. 325


Wie kann man den Chloridgehalt bestimmen?


Experiment 1: Chloridnachweis in Wasserproben [6] – Volumetrische Bestimmung mit Silbernitrat unter Verwendung von Kaliumchromat als Endpunktindikator

Material:

  • Titrationseinrichtung (50 mL Bürette mit Stativ, 250 mL Titrierkolben, Magnetrührgerät),
  • Silbernitratlösung (4,791 g Silbernitrat mit destl. Wasser auf 1 L auffüllen),
  • Kaliumchromatlösung (10g Kaliumchromat mit destl. Wasser auf 100 mL auffüllen).

Bild 2: Chemikalien für den Chloridnachweis und Carbonatnachweis (hier nicht beschrieben)
(Foto: Schorn)

Durchführung:

  1. 100 mL der Probe (Probenvolumen C) im Titrierkolben mit 1 mL Kaliumchromatlösung versetzen.
  2. Mit Silbernitrat aus der Bürette bis zu einem Farbumschlag von grünlichgelb nach rötlichbraun titrieren. Verbrauch A an Maßlösung.
  3. Eine Blindprobe wird stets mit destilliertem Wasser durchgeführt. Verbrauch B an Maßlösung.
  4. Die Chloridkonzentration b (Cl-) wird in mg/L anhand folgender Gleichung berechnet.

β (Cl-) = (A-B) * 1000mg / C

Beobachtungen: Der Farbumschlag zeigt das Titrationsende der Messung an.

Bild 3-4: Anfang der Titration (links), Ende der Titration (rechts)
(Fotos: Schorn)

Ergebnis: Bei Bestimmung von Chlorid werden die Chlorid-Ionen direkt mit einer Silbernitratlösung titriert. Es bildet sich schwerlösliches Silberchlorid als weißer Niederschlag.

(1) Ag+ + Cl- -> AgCl (s)

Als Indikator für die Erkennung des Endpunktes dieser Fällungstitration dient gelbes Kaliumchromat. Der Endpunkt der Titration wird dadurch erkannt, dass ein geringer Überschuss an Silber-Ionen (die zu bestimmenden Chlorid-Ionen sind verbraucht und als AgCl ausgefällt) mit den in der Lösung vorhandenen Chromat-Ionen (gelb) zur Ausfällung von rotbraunem Silberchromat (rotbraun) führt.

(2) 2 Ag+ + CrO42- -> Ag2CrO4 (s)


Wie kann man den Gehalt an Calcium- und Magnesium-Ionen bestimmen? Wie ermittelt man die Wasserhärte?


Experiment 2: Komplexometrische Bestimmung des Calciumgehalts sowie des Gesamtgehalts an Calcium- und Magnesiumionen in Wasserproben [6]

Material:

  • Titrationseinrichtung (50 mL Bürette mit Stativ, 250 mL Titrierkolben, Magnetrührgerät)

Messung A)

  • EDTA-Lösung ( c(EDTA) = 0,01 mol/L ; 3,725 g EDTA-Dinatriumsalz mit destl. Wasser auf 1 L auffüllen),
  • Indikatorverreibung (1g Calconcarbonsäure mit 99g wasserfreiem Natriumsulfat im Mörser verreiben),
  • Natronlauge (8g Natriumhydroxid in 100 mL destl. Wasser lösen).

Messung B)

  • EDTA-Lösung ( c(EDTA) = 0,01 mol/L ; 3,725 g EDTA-Dinatriumsalz mit destl. Wasser auf 1 L auffüllen),
  • Pufferlösung pH=10 (6,75 g Ammoniumchlorid und 0,05g EDTA-Dinatrium-magensium-Salz werden in 57 mL Ammoniak (w(NH3)=25%ig) gelöst und mit destl. Wasser auf 100 mL aufgefüllt),
  • Indiktorlösung (0,5 g Eriochromschwarz T werden in 100 mL Triethanolamin aufgelöst).

Bild 5: Chemikalien für die Bestimmung von Calcium- und Magnesiumionen
(Foto: Schorn)

Durchführung: Zuerst wird der Calciumgehalt c(Ca2+) allein bestimmt (Messung A) und anschließend der Gehalt der Summe an Calcium- und Magnesiumionen c(Ca2++Mg2+) (Messung B). Die Differenz beider Messungen ergibt dann den Gehalt an Magnesiumionen c(Mg2+).

A) Calciumgehaltmessung

  1. 100 mL der Probe (Probenvolumen B) werden in dem Titrierkolben mit 2 mL Natronlauge und anschließend mit 0,2 g Indikatorverreibung vermischt.
  2. Man titriert mit der EDTA-Lösung ( c(EDTA) = 0,01 mol/L = CE) bis zum Farbumschlag von rot nach blau. Volumen der verbrauchten EDTA-Lösung A
  3. Der Calciumgehalt der Wasserprobe wird wie folgt berechnet:

(3) c(Ca2+) = A*CE/B

Beobachtungen: Der Farbumschlag zeigt das Titrationsende der Messung an.

Bild 6-7: Anfang der Titration (links), Ende der Titration (rechts)
(Fotos: Schorn)

Ergebnis Messung A: Bei der Bestimmung bilden die Calciumionen (Ca2+) mit der Calconcarbonsäure (HInd)3- einen roten Komplex.

(4) 5 H2O + Ca2+ + (HInd)3- -> [Ca(Ind)(H2O)4]2- + H3O+

Bei Zugabe von EDTA reagieren die Calciumionen zu einem farblosen Ca-EDTA-Komplex.

(5) (H2EDTA)2- + Ca2+ + 4 H2O -> [Ca(EDTA)*(H2O)2]2- + 2 H3O+

Der Komplex zwischen Calcium-Ionen und dem EDTA ist stabiler als zwischen den Calcium-Ionen und der Calconcarbonsäure, sodass zum Ende Calconcarbonsäure freigesetzt wird und die blaue Eigenfarbe das Ende der Titration anzeigt.

(6) [Ca(Ind)*(H2O)4]2- + (H2EDTA)2- → [Ca(EDTA)(OH2)2]2- + (HInd)3- + H2O + H3O+

Man erhält den Gehalt an Calciumionen in mol/L. Eine Umrechnung in mg/L ergibt sich durch Multiplikation mit der molaren Masse der Ionensorte.

B) Messung des Gesamtgehalts von Calcium- und Magnesiumionen

  1. 100 mL der Probe (Probenvolumen B) werden in dem Titrierkolben mit 4 mL Pufferlösung und 3 Tropfen Indikatorlösung versetzt.
  2. Dann titriert mit der EDTA-Lösung ( c(EDTA) = 0,01 mol/L = CE) bis zum Farbumschlag von rot nach blau. Volumen der verbrauchten EDTA-Lösung A
  3. Der Gesamtgehalt c(Ca2++Mg2+) der Wasserprobe wird wie folgt berechnet:

c(Ca2++Mg2+) = A*CE/B

Beobachtungen: Der Farbumschlag zeigt wie bei Messung A das Titrationsende der Messung an.

Ergebnis Messung B: Sämtliche zweitwertige Kationen (hier Ca2+ und Mg2+ - Ionen) bilden mit dem Eriochromschwarzindikator (Ind) eine rote Verbindung.

(7) Ind2- + Mg2+ -> [Mg(Ind)]

(8) Ind2- + Ca2+ -> [Ca(Ind)]

Diese Verbindungen werden durch das farblose EDTA zerlegt. Der Komplex zwischen den zweitwertigen Ionen und dem EDTA ist stabiler als zwischen den Ionen und dem Eriochromschwarz. Zum Ende der Titration wird das Eriochromschwarz freigesetzt und zeigt wieder das Ende der Titration an.

(9) [Ca(Ind)] + EDTA2- -> [Ca(EDTA)] + Ind2-

Man erhält den Gesamtgehalt von Magnesium- und Calcium-Ionen in mol/L. Durch Differenzbildung der Messergebnisse von Messung A und B erhält man zusätzlich den Gehalt an Magnesium-Ionen in mol/L. Mit den Messwerten kann man durch Umrechnung die Wasserhärte (Grad deutscher Härte) ermitteln. Weitere Hinweise zu den chemischen Vorgängen bei der Komplexometrie findet man hier


Wie kann man den Sulfatgehalt bestimmen?


Experiment 3: Sulfatnachweis in Wasserproben [6] – Gravimetrische Bestimmung mit Bariumchlorid

Material: Trockenschrank, Muffelofen, Porzellanschalen, Analysenwaage d=0,1mg, Exikator, Trichter und Filter (aus aschefreiem Filterpapier), gewichtskonstante Porzellantiegel, Bechergläser, Messzylinder, Messpipetten, pH-Indikator,

  • Salzsäure 20%ig
  • Bariumchoridlösung (10g Bariumchlorid in 90 mL destl. Wasser lösen)
  • Silbernitratlösung (1 g Silbernitrat mit einigen Tropfen Salpetersäure in 100 mL destl. Wasser lösen).

Bild 8: Chemikalien für den Sulfatnachweis
(Foto: Schorn)

Durchführung:

  1. Die gewichtskonstanten Porzellantiegel für die Ermittlungen auswiegen. (Beschriftung mit Bleistift auf der Unterseite vermeidet die Verwechslung, bei gleichzeitigem Ausglühen der Tiegel im Muffelofen bei Schritt 7).
  2. Wasserproben durch einfache Filtration von Trübstoffen befreien
  3. Mit Salzsäure die Probe ansäuern.
  4. 50 mL = V der gefilterten Probe in einem Becherglas zur vollständigen Fällung mit heißer Bariumchloridlösung versetzen.
  5. Abgekühlte Proben durch Papierfilter (aschefreies Filterpapier) filtrieren.
  6. Niederschlag im Filterpapier mit heißem Wasser bis zur negativen Chlorid-Reaktion (mit Silbernitrat prüfen) im Filtrat waschen.
  7. Filterpapier in einen gewichtskonstanten Porzellantiegel überführen und im Trockenschrank trocknen.
  8. Anschließend die Filter im Muffelofen veraschen und 30min bei 800 °C glühen.
  9. Die Tiegel im Exikator abkühlen lassen und anschließend wiegen. Die Differenz zu Schritt 1 ergibt die Auswaage an Bariumsulfat in mg = a
  10. Die Sulfatkonzentration β (SO42-) wird in mg/L anhand folgender Gleichung berechnet.

β (SO42-) = a * 0,4115/ V

Beobachtungen:

Bild 9: Auswiegen der gewichtskonstanten Porzellantiegel
(Foto: Schorn)

Bild 10: Fällung und Filtration von Bariumsulfat
(Foto: Schorn)

Bild 11: Filterveraschung und Ausglühen der Tiegel im Muffeloffen
(Foto: Schorn)

Ergebnis: Bei der Sulfat-Bestimmung werden die Sulfat-Ionen mit Barium-Ionen zu schwerlöslichem Bariumsulfat gefällt.

SO42- (aq) + Ba2+ (aq) -> BaSO4 (s)

Um dabei störende Carbonationen nicht mit auszufällen wird die Probe vorher mit Salzsäure angesäuert. Man erhält den Sulfatgehalt der Proben in mg/L. Weitere Hinweise zu den chemischen Vorgängen erhält man hier.


Wie kann man den Nitratgehalt bestimmen?


Experiment 4: Nitratnachweis in Wasserproben abgewandelt nach [6] – Fotometrische Bestimmung mit Fertigreagenzien

Material: Fotometer der Firma Winlab (WINLAB Data Line LED Photometer) [7] inkl. Messküvetten, Aquanal-plus Mischreagenzien (Nitrat, niedrig, 0,1-30 mg/L Best.Nr. 100320204),

Bild 12: Arbeitsplatz für Nitratnachweis mit Fotometer
(Foto: Schorn)

Durchführung:

  1. Wasserproben filtrieren und in jeweils zwei Messküvetten die Probe (Blindprobe, Messprobe) bis zum Eichstrich der Küvetten befüllen.
  2. Mischreagenzien lt. Anleitung in der Messküvette ergänzen.
  3. Fotometrische Messung lt. Anleitung durchführen (Messprogramm am Fotometer wählen, Blindprobenküvette messen, Messprobenküvette einstellen, Küvetten jeweils abdecken, Messung durchführen, Messwert ablesen).

Beobachtungen:

Bild 13: Nitratmessung für 7 Gewässerproben
(Foto: Schorn)

Bild 14: Färbung beim Nitratnachweis der 7 Gewässerproben
(Foto: Schorn)

Ergebnis: Eine vergleichbare Bestimmung von Nitrat als Natriumnitrosalicylat wird auf der folgenden Seite erklärt. Man erhält den Nitratgehalt der Proben in mg/L.

Insgesamt wurden 6 Trinkwasserproben aus häuslichen Trinkwasserleitungen sowie 6 Wasserproben von Notwasserbrunnen (Straßenbrunnen) aus dem Berliner Stadtgebiet untersucht.

Bild 15: 6 Trinkwasserproben aus häuslichen Trinkwasserleitungen
(Foto: Schorn)

Bild 16: 6 Wasserproben aus Notwasserbrunnen (Straßenbrunnen) aus dem Berliner Stadtgebiet
(Foto: Schorn)

Wasserprobe Ionensorten
Chlorid Calcium Magnesium Sulfat Nitrat
Trinkwasserprobe; Afrikanische Straße; 13351 Berlin 210mg/L 90,225mg/L 30,375mg/L 102,6 mg/L 2,37mg/L
Notwasserbrunnen Nr. 6; Bandelstraße; 10559 Berlin 122mg/L 228 mg/L 4,86 mg/L 381,95mg/L 5,25mg/L

Messwerte

13351 und 10559

(Einzugsbereich des gleichen Wasserwerks)		 1,34 mmol/L

47,57 mg/L		 2,36 mmol/L

94,63 mg/L		 0,36 mmol/L

8,75 mg/L		 0,80 mmol/L

76,8 mg/L		 0,03 mmol/L

1,86 mg/L

Vergleichswerte nach Postleitzahlen auf der Basis der Analysedaten BWB im Jahr 2022 [8]

Ein Vergleich zwischen der Trinkwasserprobe aus der Afrikanischen Straße mit den Vergleichswerten der Berliner Wasserbetriebe, zeigt bis auf die Messungen des Chloridgehalts nachvollziehbare Messwerte.

Ein Vergleich der Trinkwasserprobe und der Notwasserbrunnenprobe zeigt erhebliche Abweichungen von den Trinkwasserwerten. Diese Abweichungen lassen sich mit der Filterwirkung des Sediments bei der Gewinnung von Trinkwasser erklären.

Das Berliner Trinkwasser wird ausschließlich aus Grundwasser gewonnen, dass durch Grundwasserpumpen aus einer Tiefe bis zu 170m an die Oberfläche gefördert wird. Das Grundwasser entsteht in Berlin durch die Filtration des Oberflächenwassers in Sand- und Kiesschichten.

Das Wasser aus den Notwasserbrunnen wird aus einer Tiefe bis zu 40 Metern gefördert und kommt aus einer geringeren Tiefe als das Grundwasser. Die Filtration des Oberflächenwassers ist in dieser Tiefe noch nicht soweit erfolgt, dass Wasser in Trinkwasserqualität entsteht. Darauf deuten besonders die Messwerte vom Sulfat- und dem Calciumgehalt hin.

Das Wasser aus Notwasserbrunnen eignet sich nachweislich nicht zum Trinken. Zum Wäschewaschen, Spülen und für die Körperhygiene ist es aber in Notfällen geeignet. Bleibt die Frage offen, welchen Einfluss einfach verfügbare Wasserfilter auf die Wasserqualität haben.

Diese Frage soll im Tipp Nr. 325 beantwortet werden.


Quellen:
[1] https://www.spiegel.de/politik/deutschland/koeln-wahn-verdacht-auf-sabotage-gegen-die-bundeswehr-kontaminiertes-leitungswasser-a-c4754c35-c380-4a92-a6b9-d2ecb140bc99
[2] https://de.wikipedia.org/wiki/Berliner_Trinkbrunnen
[3] https://www.berlin.de/umwelt/themen/wasser/artikel.155619.php
[4] https://umap.openstreetmap.de/de/map/strassenbrunnen-berlin_2234#15/52.5542/13.3464
[5] https://www.bwb.de/de/trinkbrunnen.php
[6] Rump, Hans Hermann; Laborhandbuch für die Untersuchung von Wasser, Abwasser und Boden; 3.Aufl.K Weinheim, Wiley-VCH; 1998"
[7] https://www.windaus.de/1828700226/1/VP67/100320204/100320204%20VGKL+Seite.html
[8] https://www.bwb.de/de/analysedaten-nach-postleitzahlen.php?PLZ=13351&send=Suche+starten
[9] https://de.wikipedia.org/wiki/Stra%C3%9Fenbrunnen_in_Berlin


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Letzte Überarbeitung: 13. Oktober 2024, Fritz Franzke