Zeolithe – ein Beispiel für Wasserenthärter

Hallo ich bin Mathias, willkommen zu Chemie. Hast du schon mal von hartem Wasser gehört? Weißt du eigentlich was das ist und welche Probleme es mit sich bringt? Das werde ich dir unter anderem in diesem Video erklären. Das Video gliedert sich wie folgt Als erstes werde ich dir erklären was Wasserhärte ist, dann was das für Probleme beim Waschen mit sich bringt. Danach werde ich auf Wasserenthärter, am Beispiel von Zeolithen eingehen. Dafür unterteile ich diesen Punkt noch einmal in Kieselsäuren, Silicate und Alumosilicate. Am Ende folgt dann die Zusammenfassung. Ursache für die „Härte“ des Wassers sind gelöste Calcium- und Magnesium-Ionen. Es gibt regionale Unterschiede in der Wasserhärte. Eine niedrige Härte weist das Wasser in Regionen auf in denen Granit und Sandstein vorherrschen wie zum Beispiel in Bremen und Teilen des Saarlands. Hartes Wasser hingegen liegt in Gebieten mit Gips und Kalkstein vor, wie zum Beispiel Berlin und im Alpenvorland. Was hat hartes Wasser nun für Auswirkungen? Das grundlegende Problem an hartem Wasser ist die verminderte Waschleistung durch die Bildung von Kalkseifen. Im Waschmittel sind Tenside enthalten. Diese Tenside liegen als leichtlösliche Natriumsalze vor. Im harten Wasser bilden sich aus den leicht löslichen Natriumsalzen schwer lösliche Calciumsalze, die sogenannten Kalkseifen. Diese Tenside sind nun nicht mehr wirksam. Dadurch ist die Waschleistung gemindert. Außerdem bilden diese Kalkseifen auch unschöne graue Ablagerungen auf der Kleidung. Ein weiteres Problem von hartem Wasser ist, dass beim Erhitzen schwerlösliches Calciumcarbonat entsteht. Calciumcarbonat besitzt die Summenformel CaCO3 und wird auch als Kesselstein bezeichnet. Es führt zu Schädigung von Heizelementen und Leitungen. Aufgrund dieser Probleme müssen Calcium- und Magnesium-Ionen aus dem Wasser entfernt werden. Wir benötigen also Wasserenthärter.

Was ist denn ein geeigneter Wasserenthärter? Das werde ich dir nun zeigen.

Zeolithe sind Alumosilicate. Sie bestehen aus Silicium, Aluminium und Sauerstoff. Um die Struktur dieser Verbindungen besser zu verstehen, erkläre ich dir zunächst die Silicate, also Verbindungen, die nur aus Silicium und Sauerstoff bestehen. Silicate sind Salze der Kieselsäure. Die einfachste Kieselsäure ist die Orthokieselsäure. Sie besitzt die Summenformel H4SiO4. Ihre Struktur ist tetraedisch. Die Orthokieselsäure ist nur für kurze Zeit stabil in einer wässrigen Lösung bei dem pH-Wert 3,4. Ändert sich dieser pH-Wert läuft eine Kondensation ab. Bei dieser reagieren 2 OH-Gruppen von unterschiedlichen Orthokieselsäure- Molekülen miteinander. Es kommt zur Wasserabspaltung. Bei einer Kondensation werden immer kleine Molküle abgespalten. Die beiden Orthokieselsäure-Moleküle sind nun über eine Sauerstoffbrücke verknüpft. Bei fortlaufender Kondensation bildet sich die Metakieselsäure. Sie hat die Form von Ketten oder Ringen und hat die vereinfachte Summenformel (H2SiO3)x

Die Kondensation kann natürlich an allen 4 OH-Gruppen ablaufen. Daher können auch vielfältige Strukturen entstehen. Neben den Ketten zum Beispiel zweidimensionale flächige Strukturen und auch dreidimensionale räumlich vernetzte Strukturen. Du weißt nun, dass Kieselsäure kondensieren und vielfältige Strukturen bilden kann.

Jetzt zeige ich dir die Silicate. Silicate sind Salze der Kieselsäure, wie du schon weißt. Bei Ihnen sind Wasserstoffatome der OH-Gruppen durch Metall-Kationen ersetzt. Wie bei den Kieselsäuren sind so auch viele Strukturen für Silicate möglich. Damit die Metall-kationen wie z.B. Natrium-Ionen möglichst viel Abstand zueinander haben ordnen sich die Na2SiO3-Einheiten im Zickzack an.
Die einzelnen Einheiten sind über Sauerstoffbrücken miteinander verbunden. Ich zeige dir hier nur einen Ausschnitt mit drei Einheiten. Die Kette ist natürlich noch länger. Sie würde hier und hier weitergehen.

Wie Silicate aussehen habe ich dir gezeigt. Aber was sind denn nun Alumosilicate? Bei Alumosilicaten liegt eine vollständige Kondensation vor. Wir finden also keine OH-Gruppen mehr. Es liegt ein SiO2-Gitter vor Zusätzlich sind einige Siliciumatome in der Silicatstruktur durch Aluminiumatome ausgetauscht. Silicium hat 4 Außenelektronen, Aluminium hat aber nur 3 Außenelektronen. Aluminium geht in dem Silicatgitter aber genau wie Silicium 4 Bindungen ein. Dadurch entsteht an den Aluminiumzentren eine negative Ladung. So entsteht eine anionische Gerüststruktur mit Hohlräumen. In diese Hohlräume sind Natrium-Kationen und Wasser eingelagert. Ein bekannter Zeolith ist der Zeolith A. Dieser wird oft als Ionentauscher verwendet. Hier siehst du die Käfigstruktur des Zeolith A. Im harten Wasser werden die Natriumionen, die sich in den Hohlräumen des Zeoliths befinden, durch die Calciumionen des harten Wassers ausgetauscht. Dieser Austausch funktioniert bei steigender Temperatur immer besser, was ein großer Vorteil beim Waschen ist. Somit führt Zeolith A zu Wasserenthärtung und minimiert die Kalkseifen- und Kesselsteinbildung. Es ist also gut für den Einsatz in Waschmittel geeignet. Du hast nun schrittweise gelernt wie Alumosilicate aufgebaut sind. Nun werde ich für dich das Video noch einmal kurz zusammen fassen. Kannst du dich noch an meine Eingangsfragen erinnern? Ich habe gefragt was hartes Wasser ist und welche Probleme es mit sich bringt.

Du weißt jetzt: Dass hartes Wasser viele Calcium- und Magnesium- Ionen enthält. Dadurch treten Probleme wie Kalkseifen- und Kesselsteinbildung auf. Wasserenthärter entfernen Calcium-Ionen aus dem Wasser. Zeolith ist ein Wasserenthärter. Es ist ein Alumosilicat. Silicate sind Salze der Kieselsäure. In Alumosilicaten sind einige Silicium-Atome gegen Aluminium-Atome ausgetauscht. In ihren Hohlräumen werden Calcium-Ionen eingelagert und so das Wasser weich gemacht.

Danke für deine Aufmerksamkeit und noch viel Erfolg beim Lernen. Bis bald dein Mathias