Profielwerkstuk Scheikunde Water

Transcriptie

1 Profielwerkstuk Scheikunde Water Profielwerkstuk door een scholier 3400 woorden 24 april ,3 128 keer beoordeeld Vak Scheikunde Inleiding Water is het onderwerp die ik heb gekozen voor mijn profielwerkstuk. Ik heb deze onderwerp gekozen doordat ik water een heel merkwaardige stof vind. Van alle stoffen in de natuurkunde is bekend dat de vaste vorm zwaarder dan de vloeibare. Dit is ook logisch: de moleculen zitten tenslotte dichter op elkaar. Bij water is het precies andersom en dat is maar goed ook: als het ijs zou zinken en er zijn ook polen en zou schaatsen onmogelijk zijn. Dit komt omdat water, in tegenstelling tot alle andere stoffen, uitzet als het bevriest. En het leek mij best leuk en interessant om meer informatie over water op te zoeken. In mijn verslag zal ik een aantal deelvragen beantwoorden. De hoofdvraag zal ik beantwoorden met behulp van een leuk en simpele experiment. Als hoofdvraag voor mijn profielwerkstuk heb ik: Hoe kan je nagaan of de kraanwater in jou buurt zacht of hard is? Onderzoeksvragen: Zoals u in de inleiding al kunt lezen heb ik als hoofdvraag: Hoe kan je nagaan of de kraanwater in jou buurt zacht of hard is? Mijn deelvragen zijn: Wat is water? De waterkringloop Drinkwater Wat is het kwaliteit van drinkwater? Hoe kan je aantonen dat de water die je drinkt drinkbaar is? Onderzoeksbevindingen Wat is water? Water is een van de meest belangrijke stof die er op de aarde te vinden is. Zonder water was er geen leven mogelijk geweest. Het menselijke lichaam bestaat zelfs voor 70% uit water. Pagina 1 van 9

2 Water is er in vele verschijningsvormen. Cola bestaat voor 99% uit gewoon water, maar (natuur)ijs ook. Wolken in de lucht bestaan ook vrijwel volledig uit water. Waterdamp is onzichtbaar, maar het is ook gewoon water. - Het watermolecuul Alle stoffen op aarde zijn opgebouwd uit moleculen. Zo is er ook een watermolecuul. Moleculen zijn op hun beurt weer opgebouwd uit atomen. Het watermolecuul is opgebouwd uit drie atomen, namelijk één zuurstofatoom en twee waterstofatomen. Ter vergelijking: zuurstof, de stof die we allemaal nodig hebben om in te ademen, is opgebouwd uit twee zuurstofatomen. Het symbool voor water in de scheikunde is H2O, waar de H2 staat voor twee waterstofatomen, en de O voor het zuurstofatoom. Alle verschijningsvormen van water zijn uit datzelfde watermolecuul opgebouwd. In principe zijn er van alle stoffen drie verschijningsvormen: vast, vloeibaar, en gas. Dit geldt ook voor water, alleen kennen we de drie vormen daar onder andere, vertrouwde namen: ijs, water en waterdamp. De verschijningsvorm van water hangt af van de temperatuur van het water. Bij kamertemperatuur (20 C) is water vloeibaar. Onder nul graden (het vriespunt) verandert het vloeibare water in ijs. Boven de 100 graden gaat het koken: het verdampt tot waterdamp. Het verschil wordt veroorzaakt door de manier waarop de moleculen geordend zijn. Bij ijs zitten ze in een vast systeem tegen elkaar geklemd. Bij water zitten ze wat losser op elkaar en bij waterdamp stuiteren ze volledig losgeslagen alle kanten op. Omdat bij waterdamp de moleculen volledig los van elkaar zijn, kunnen we het niet meer zien. Een individuele molecuul is veel te klein om waar te nemen. Water is eigenlijk een heel merkwaardige stof. Van alle stoffen bekend in de natuurkunde is de vaste vorm zwaarder dan de vloeibare. Dit is ook logisch: de moleculen zitten tenslotte dichter op elkaar. Bij water is het precies andersom. Dit komt omdat water, in tegenstelling tot alle andere stoffen, uitzet als het bevriest. Behalve dat we hierdoor kunnen schaatsen, heeft het nog meer gevolgen. Er komen enorm veel krachten vrij bij het uitzettende ijs. Dat laat zich door niets tegenhouden. Zo kunnen ingevroren schepen kapot worden gedrukt door het uitzettende ijs. Ook kunnen dijken door de ijslaag op zee weggedrukt worden. De waterkringloop Al het water in de natuur maakt onderdeel uit van de hydrologische kringloop, oftewel de waterkringloop. Het komt erop neer dat water diverse stappen doorloopt en uiteindelijk weer aan het begin van de kringloop uitkomt, waarna de cyclus opnieuw begint. De motor van dit proces is de zon. Om het duidelijker te maken wordt in het onderstaand voorbeeld het water gevolgd op zijn weg door de waterkringloop. In een wolk verzamelen zich steeds meer waterdruppeltjes. Die druppeltjes gaan samenklonteren en worden daardoor steeds zwaarder. Op een gegeven moment worden de waterdruppels zo zwaar dat ze 'uit de wolk' naar beneden vallen. Dit verschijnsel heet regen of neerslag. Onder neerslag vallen ook andere vormen, zoals sneeuw en hagel. 1) Neerslag Pagina 2 van 9

3 Terwijl ze door de circulerende atmosfeer getransporteerd worden, verplaatsen wolken zich landinwaarts, als een gevolg van de zwaartekracht en verliezen daar water dat terugvalt op de aarde. Dit verschijnsel wordt regen of neerslag genoemd. 2) Filtratie Regenwater infiltreert in de grond en zinkt daar tot de verzadigde zone, waar het zich bij het grondwater voegt. Grondwater verplaatst zich langzaam van gebieden met een grote hoogte en druk naar gebieden met een lage hoogte en druk. Het verplaatst zich van de plaats waar het in de bodem geïnfiltreerd is via een watervoerende laag naar een plaats waar het losgelaten wordt, en dit kan een zee of een oceaan zijn. 3) Transpiratie Planten en andere vegetatievormen nemen uit de grond water op en scheiden dit weer uit in de vorm van waterdamp. Ongeveer 10% van de neerslag die op de grond valt, verdampt vervolgens door de transpiratie van planten, de rest verdampt via de zeeën of oceanen. 4) Oppervlakte afvloeisel Het regenwater dat niet in de bodem infiltreert, komt direct in het oppervlaktewater terecht, omdat het wegvloeit naar rivieren en meren. Daarna wordt het naar de oceanen en zeeën Dit water wordt oppervlakte afvloeisel genoemd. 5) Verdamping Onder invloed van het zonlicht warmt het water in zeeën en oceanen op. Hierdoor verdampt een deel en stijgt op naar de atmosfeer. Daar vormt het wolken, waarna het uiteindelijk in de vorm van regen terugvalt naar de aarde. De verdamping van oceanen vormt de grootste verdamping. 6) Condensatie Als het in contact komt met de atmosfeer, wordt de waterdamp weer vloeistof, en is dan ook zichtbaar. Deze opeenhopingen van water in de lucht is wat we wolken noemen. Drinkwater Drinkwater bevat, net als elke andere stof, kleine hoeveelheden bacteriën. De meeste van deze bacteriën komen veel voor en zijn over het algemeen niet schadelijk. Chloor wordt soms toegevoegd aan drinkwater om bacteriegroei in de drinkwaterleidingen tegen te gaan. Daarom bevat drinkwater soms ook kleine hoeveelheden chloor. Er zit in water een groot gedeelte mineralen en andere anorganische bestanddelen, zoals calcium. Kraanwater is net zo gezond als flessenwater. In de Waterleidingwet is vastgelegd dat de waterbedrijven betrouwbaar drinkwater moeten leveren. Het water mag dus geen eigenschappen hebben die slecht kunnen zijn voor de gezondheid. Onder andere fluor, lood, chloor en nitraat zijn stoffen die niet of in zeer beperkte mate in het drinkwater mogen zitten. Er is dus geen reden om ander water te drinken dan Pagina 3 van 9

4 kraanwater. Sommige fabrikanten van mineraalwaters beweren wel eens dat veel of juist geen mineralen goed zijn voor het lichaam. Mineralen spelen een belangrijke rol bij specifieke lichaamsfuncties, maar teveel mineralen zijn niet goed voor de nieren. Welke gevaren bedreigen het drinkwater? Er zijn een aantal problemen die de kwaliteit van drinkwater kunnen bedreigen. Hier zullen er een aantal genoemd worden. - Het water kan besmet zijn met de coliform bacterie. Deze bacterie behoort tot een groep microorganismen die normaliter gevonden worden in menselijke uitwerpselen en in de uitwerpselen van andere warmbloedige dieren en in oppervlaktewater. Wanneer in het drinkwater deze bacteriën gevonden worden, kan dit erop wijzen dat het water besmet is. Bijvoorbeeld met water dat gebruikt is om stallen mee schoon te maken. Daarom moet drinkwater vrij zijn van de coliform bacterie. - Gisten en virussen kunnen ook de waterkwaliteit in gevaar brengen. Het zijn microbiologische verontreinigingen, die doorgaans in oppervlaktewater worden gevonden. Voorbeelden zijn Giardia en Cryptosporidium. Giardia is een eencellige die darmproblemen veroorzaakt. Cryptosporidium is een parasiet (een parasiet is een levensvorm die zich ten koste van een ander organisme (de gastheer) in stand houdt en vermenigvuldigt) die gezien wordt als een van de belangrijkste oorzaken van diaree bij mensen. Zelfs bij gezonde individuen met een normaal werkend immuunsysteem duurt de ziekte een paar dagen, terwijl men lijdt aan diarree, overgeven buikkramp en koorts. Mensen met een verzwakt immuunsysteem kunnen lijden aan veel zwaardere symptomen, zoals een cholera-achtige ziekte. - Nitraat in drinkwater kan cyanose veroorzaken, een verkleining van de capaciteit van het bloed om zuurstof te dragen. Dit is vooral gevaarlijk bij kinderen jonger dan 6 maanden. - Lood kan in het drinkwater terechtkomen, via de koperen pijpleidingen waar het water door vervoerd wordt. Wanneer het water door de pijpen stroomt, lossen kleine deeltjes lood op in het water, zodat het water verontreinigd raakt met lood. Lood is een giftige stof die snel door het menselijk lichaam wordt opgenomen, vooral bij jonge kinderen. Dit leidt tot loodvergiftiging. - Legionella is een bacterie die snel groeit wanneer water voor een langere periode een temperatuur tussen de 30 en 40 C heeft. Deze bacterie kan samen met andere luchtdeeltjes ingeademd worden wanneer dit water verdampt wordt. Deze legionellabacterie kan koorts veroorzaken, die ook wel bekend staat als de Pontiac koorts, daarnaast kan het ook een de dodelijke ziekte Legionella veroorzaken. Wat is het kwaliteit van drinkwater? Hoe wordt de drinkwaterkwaliteit bewaakt? Elk land heeft speciale normen voor het drinkwater. Deze schrijven voor welke stoffen in drinkwater mogen zitten en wat de maximaal toegestane hoeveelheden van deze stoffen zijn. Deze normen worden maximale verontreinigingsniveaus genoemd. Voor elke verontreiniging die schadelijke effecten kan hebben op de Pagina 4 van 9

5 menselijke gezondheid worden deze niveaus bepaald. Ieder drinkwaterbedrijf heeft zich aan deze normen gehouden. Wanneer water gezuiverd wordt om het geschikt te maken als drinkwater, wordt het getest op een aantal gevaarlijke verontreinigingen. Daarna kan men bepalen hoeveel en welke verontreinigingen er verwijderd moeten worden om aan de normen te voldoen en welke zuiveringsstappen men hiervoor moet volgen. Waterzuivering Vaak moet water gezuiverd worden voordat het geschikt is voor gebruik. Dit geldt natuurlijk voor water dat je wilt drinken, maar ook voor allerlei industriële processen waarbij water gebruikt wordt. Voor het zuiveren van water zijn verschillende technieken. 1 Filteren 2 Koken 3 Koolstof filteren 4 Distillatie 5 Omgekeerde osmose 6 Ionenwisselingschromotografie Filteren Het water wordt door een fijn rooster gelaten dat de kleine deeltjes eruit filtert. Hoe dichter dit rooster is, hoe meer deeltjes eruit gefilterd worden maar hoe langer het duurt voordat het water erdoorheen is. Filteren is niet voldoende om water volledig te zuiveren, maar wordt vaak toegepast als eerste stap in het zuiveringsproces, om te voorkomen dat grove deeltjes latere, gevoeliger zuiveringsprocessen verstoren. Koken Het water wordt verwarmd tot 100 graden Celsius, zodat het gaat koken. Dit wordt lang genoeg gedaan om micro-organismen in het water te doden of in elk geval onschadelijk te maken. Koolstoffilteren Houtskool neemt makkelijk allerlei giftige stoffen op. Om water te zuiveren, wordt het ook wel langs houtskool gespoeld. Zodoende wordt het water gezuiverd van die giftige stoffen. Dit is een techniek die veel wordt toegepast in huisfilters. In die huisfilters is vaak ook zilver verwerkt. Het zilver heeft een antibacteriële werking. Destilleren Het destilleren van water is een kostbaar en langzaam proces, wat vooral wordt toegepast in laboratoriumexperimenten waar zeer zuiver water bij benodigd is. Het water wordt hierbij net zo lang gekookt tot het verdampt is. De waterdamp stijgt dan en condenseert als het hoger tegen een koeler oppervlakte aan komt. Dit gecondenseerde water wordt opgevangen en is voor 99,9% gezuiverd. Alle troep uit het water blijft achter. Omgekeerde osmose Omgekeerde osmose is een vorm van filteren met zeer fijne roosters. De watermoleculen worden door dat Pagina 5 van 9

6 zeer fijne rooster heen geperst en alle andere moleculen blijven achter. Deze vorm van filteren levert het allerbeste resultaat op: vrijwel alle andere stoffen worden uit het water gefilterd. Ionenwisselaars Met een ionenwisselaar kunnen de zoutbestanddelen uit het water gefilterd worden. Hard water kan hiermee onthard worden. Ook kan radioactief water gezuiverd worden van radioactieve elementen. Ionenuitwisseling is in het laboratorium tegenwoordig een goed alternatief voor destilleren. Met ionenuitwisseling kan sneller en met minder energie zuiver water geproduceerd worden. Drinkwaterzuivering In Nederland gebruiken we zowel grondwater als oppervlaktewater voor de productie van drinkwater. Na zuivering door het waterleidingbedrijf wordt het drinkwater via het leidingnet geleverd aan de consument. Grondwater Twee derde van ons drinkwater wordt gemaakt van grondwater. Dit water wordt uit de bovenste grondlagen gehaald op een diepte van 50 tot 100 meter. Dit water is 10 tot 100 jaar oud. Over het algemeen is water van grotere diepte van betere kwaliteit. Doordat het grondwater door de grond naar beneden is gezakt, zijn alle bacteriën en virussen al uit het water verwijderd. Daarom is het meestal niet nodig om het grondwater te desinfecteren. Onze grondwaterbronnen worden tegenwoordig regelmatig bedreigd door allerlei milieuverontreinigingen. Overbemesting, bestrijdingsmiddelen in de land- en tuinbouw verontreinigen het grondwater. Ook het lozen of storten van allerlei afval is een bedreiging voor het grondwater. Toch is het meeste grondwater nog van goede kwaliteit en het zuiveringsproces is daarom betrekkelijk eenvoudig. Het zuiveringsproces verloopt als volgt: Eerst wordt het grondwater omhoog gepompt. Daarna wordt er door middel van sproeiers en watervallen (cascades) zuurstof aan het water toegevoegd. Door dit beluchten klit het vuil samen in vlokjes. Dit vuil wordt door grind-, koolstof- of zandfilters uit het water gefilterd. Het schone drinkwater wordt vervolgens opgeslagen in een reinwatertank totdat het aan de consument geleverd kan worden. Oppervlaktewater In het westen van Nederland komt het zoute Noordzeewater onder de duinen door in het grondwater terecht. Daardoor is in dit gebied het grondwater niet geschikt voor drinkwaterproductie. Men gebruikt hier vooral oppervlaktewater uit de Rijn en de Maas. Een derde van ons drinkwater wordt gemaakt van het water uit de Rijn en de Maas en beide rivieren leveren hiervoor ongeveer de helft. Het oppervlaktewater uit de rivieren is erg kwetsbaar. Er worden nog steeds allerlei schadelijke stoffen geloosd op de rivieren. Als dit gebeurt, kan er op dat moment geen drinkwater gemaakt worden van rivierwater. Daarom hebben de waterleidingbedrijven voorraden oppervlaktewater nodig. In de spaarbekkens van de Biesbosch ligt voor drie maanden water opgeslagen. Deze opslag van water zorgt er ook voor dat het water een betere kwaliteit krijgt. Doordat bepaalde stoffen alvast kunnen bezinken, wordt het water alvast voorgezuiverd. In sommige gebieden gebeurt het voorzuiveren van water ook ondergronds. Het voorgezuiverde water wordt door de duinen gefiltreerd zodat de kwaliteit sterk verbeterd. Het zuiveringsproces van Pagina 6 van 9

7 voorgezuiverd oppervlaktewater is bijna gelijk aan het zuiveren van grondwater. Het enige verschil is de desinfectie die bij dit water wel noodzakelijk is. Het direct zuiveren van oppervlaktewater is veel moeilijker. Nadat het rivierwater is voorgezuiverd in spaarbekkens en langs vuilroosters is gegaan, worden er vlokmiddelen en chemicaliën toegevoegd. In grote bakken, de zogenaamde roerwerken, worden de toegevoegde stoffen met het water vermengd. De verontreinigingen worden hierdoor gebonden zodat ze uit het water gefilterd kunnen worden. Hoe kan je nagaan dat de water die je drinkt drinkbaar is? Om de waterkwaliteit te meten zijn er verschillende soorten normen te onderscheiden. De belangrijkste zijn de zogenoemde gezondheidskundige normen. Bij het vaststellen van de gezondheidskundige norm wordt gekeken naar de effecten van een stof op de gezondheid bij levenslange blootstelling aan die stof. De hoogte van de gezondheidskundige norm wordt overigens altijd bepaald door de gevoeligste groep, zoals zuigelingen. Er zijn ook stoffen die geen gevaar opleveren voor de gezondheid, maar die wel kleur- of smaakafwijkingen in het drinkwater teweeg brengen. IJzer en mangaan kunnen bijvoorbeeld een bruin/zwarte kleur aan het drinkwater geven en vlekken in het wasgoed veroorzaken. De normen die voor dit soort stoffen gelden worden esthetische normen genoemd. Tenslotte zijn er ook de zogenaamde voorzorgsnormen. Deze stoffen zijn in zeer geringe hoeveelheid niet schadelijk voor de gezondheid, maar zijn wel slecht voor het milieu. Voorbeelden van deze stoffen zijn bestrijdingsmiddelen, fosfaat en kalium. Telefoongesprek met Mr. Baars en Mevr. Sandra van de Vaten Ik heb een telefoongesprek gehouden met Mr. Baars en Mevr. Sandra van de Vaten van de bedrijf Evides en dat heb ik op woensdag 21 februari 2007 gedaan om uur gedaan en heb de volgende telefoonnummer gebruikt: En de gesprek ging als volgt: Vraag: Wat is de kwaliteit van de Rotterdamse drinkwater? Antwoord: Die is uitstekend. Vraag: Hoe wordt de drinkwater bewaak? Antwoord: Er zitten in de zuiveringssysteem monsterpunten en daar wordt continu water van afgenomen (van die monsterpunten dus) en geanalyseerd in onze laboratorium en wij hebben een paar honderd punten in de stad en op het platteland waar we ook regelmatig monster nemen, dus bij de mensen thuis maar ook in openbare gebouwen en ook die worden op onze laboratorium bekeken. Vraag: Wie controleert dat? Antwoord: Wij controleren dat zelf; onze analisten Vraag: Zijn dat gewoon studenten of moeten het echte experts zijn? Antwoord: Nee, dat zijn allemaal mensen die een opleiding hebben gehad op het gebied van laboratorium en werk. Vraag: Ik weet dat er in water veel mineralen zitten zoals Ca, Mg, F enzovoort. Kunt u mij geen percentage geven van die mineralen in water? Antwoord: Ja, hoor en je kan op onze website kijken en je vindt het dan en die is op de volgende link: Pagina 7 van 9

8 Aan de tabel kan je zien dat de calcium-, natrium-, chloride-, sulfaatgehalte in de loop van de kwartalen daalt en hieruit kan men concluderen dat die gehalte in een grote hoeveelheid schadelijk is voor de gezondheid van de mens. Hoe kan je nagaan of de kraanwater in jou buurt zacht of hard is? Wanneer water een behoorlijke hoeveelheid calcium en magnesium bevat, wordt het hard water genoemd. Het is bekend dat hard water pijpleidingen verstopt en het oplossen van zeep en schoonmaakmiddelen in water bemoeilijkt. Bij water ontharden wordt een techniek gebruikt die de ionen die het water hard maken, in de meeste gevallen calcium en magnesium ionen, verwijdert. Ook ijzerionen kunnen verwijderd worden met waterontharding. De beste manier om het water te ontharden is om een wateronthardingseenheid te gebruiken en deze direct aan de waterbevoorrading aan te sluiten. Materiaal en methode Zoals eerder vermeld had ik als hoofdvraag: -Hoe kan je nagaan of de kraanwater in jou buurt zacht of hard is? En die vraag zal ik beantwoorden door een experiment uit te voeren. Materiaal: -200 mg Ca2+ in 1 Liter water (standaardoplossing) -Gedestilleerd water -Zeepoplossing -Eén maatcilinder -5 erlenmeyers -Buret (lange buis met schaalverdeling) Methode: Ik had eerst een oplossing die 200 mg Ca (aq) per liter bevat. Dat is de standaardoplosing. Van die 200 mg Ca2+ had ik 50 ml in een maatcilinder gebracht. Van die 50 ml had ik 25 ml in een erlenmeyer van 100 ml gezet en toen had ik hem met een stopje dicht gedaan. De andere 25 ml die in de maatcilinder zat heb ik verdund door 25 ml gedestilleerd water toe te voegen. En van die oplossing had ik 25 ml genomen en die had ik ook verdund met gedestilleerd water. Ik herhaalde dat 4 keer. En in de derde erlenmeyer had ik alleen 25 ml gedestilleerd water gezet. Deze bevat 0 mg Ca2+ per liter. Dus nu heb ik 5 oplossingen. In elk van deze oplossingen had ik met behulp van een buret steeds 0.5 ml zeepoplossing toegevoegd. Ik had niet de resultaten die eigenlijk verwacht waren. Maar de resultaten horen als volgt te zijn. Erlenmeyer 1 Heel erg weinig schuim(schuimgetal Pagina 8 van 9

9 Erlenmeyer 2 Iets meer schuim dan in 1(Schuimgetal Erlenmeyer 3 Iets meer schuim dan in 2(Schuimgetal Erlenmeyer 4 Iets meer schuim dan in 3(Schuimgetal Erlenmeyer 5 Heel veel schuim(schuimgetal Conclusie en evaluatie Conclusie Water met de beschrijving hard water bevat veel opgeloste mineralen. Hierbij gaat het met name om calcium en magnesium. Hard water heeft geen gevolgen voor de gezondheid, maar kan wel onaangenaam zijn door de toename van mineralen en de slechte zeepwerking. Zacht water is water waar weinig tot geen mineralen in opgelost zijn. Het heeft een goede zeepwerking, en is dus geschikt voor schoonmaken en zuiveren. Het is echter schadelijk om zacht water te drinken, maar het is erg handig voor wasmachines en dergelijke. Mensen hebben zowel hard als zacht water nodig. Hard water kan na zuivering worden gebruikt als drinkwater en is niet schadelijk voor de gezondheid. Zacht water is ongezond voor ons maar wel goed voor wasmachines en huishoudelijke apparaten en dus heel handig bij het schoonmaken. Uit mijn experiment kan ik concluderen dat bij hard water weinig schuim ontstaat. Dus hoe harder het water is, des te meer zeep eerst moet worden toegevoegd, alvorens een bepaalde waswerking oftewel schuimwerking wordt verkregen. Hard water kost dus meer zeep. En om ervoor te zorgen dat de water zachter wordt moet je een beetje gedestilleerd water toevoegen. Evaluatie Wat eigenlijk mis ging tijdens mijn Profielwerkstuk was eigenlijk het vinden van een juiste onderzoeksvraag. Dat komt doordat ik een vraag moest vinden die ik zelf kon beantwoorden door een experiment uit te voeren, maar dat is ook niet gelukt maar het is alhamdullilah gelukt met behulp van een aantal deskundigen. Pagina 9 van 9