Ionenaustausch

Versuch 1

Quellmodell für Tonböden

 An welchen Stellen beginnt sich das Buch mit Wasser vollzusaugen ?

 Wo kommt das Wasser als letztes an ?

 Lege das nasse Buch neben das trockene und vergleiche die beiden.
Miß mit einem Meßstab die Dicke der beiden Bücher.

 An welchen Stellen beginnt das Buch zu trocknen ?

 Wo bleibt das Wasser am längsten ?

 Überlege Dir, wo das Restwasser im Boden gespeichert wird, ist es gut für Pflanzen zugänglich ?

 Die Beweglichkeit der Tonschichten kannst Du Dir mit einem Kartenstapel veranschaulichen.
Nimm einen Satz alter, benutzter Spielkarten und einen neuen.
Die neuen Karten gleiten gut übereinander. Dieser Zustand entspricht Tonpartikeln mit einer Wasserschicht.
Mit den benutzten Spielkarten geht das gleiten nicht mehr so gut. Die Karten kleben stärker aneinander.

 Überlege Dir bei welcher Luftfeuchtigkeit Bodenpartikel eine Wasserschicht besitzen.
 

Eine weitere Eigenschaft von Ton ist seine Volumenänderung bei Feuchtigkeit, bzw. Trockenheit. Der folgende Versuch soll eine Vorstellung davon geben.

Versuch 2

Polyederrisse

 Die Risse sind nicht nur auf die Oberflächen beschränkt. Beobachte was passiert, wenn der Boden mit Wasser getränkt wird.
 

Nachdem Du gesehen hast, wie der Wassergehalt des Bodens die Form und das Bodengefüge beeinflussen kann wollen wir einmal sehen, welchen Gewichtsanteil das Wasser in einem wassergesättigten Boden hat.

Versuch 3

Trockengewicht von Schlickböden

Das Bodenwasser ist sehr wichtig für Pflanzen. Wie kommt es aber das Wasser nicht, der Schwerkraft folgend, im Boden versickert?
Wenn Du einen dünnen Strohhalm oder eine Glaskapillare einen Becher Wasser hälst wirst Du feststellen, daß in der Kapillare das Wasser nach oben steigt.
Pflanzen nützen diesen Effekt, da sie in ihren Stengeln kleine Kapillargefäße besitzen. Der Wassertransport erfolgt durch die Verdunstung in den Blättern, hier wird den Kapillaren Wasser entzogen.
Mit einem einfachen Modell wird sichtbar, das so große Mengen Wasser transportiert werden können.

Versuch 4

Kapillarwirkung

Gehst Du nach einem starken Regen auf einem Sandstrand spazieren, dann ist der Sand nur feucht, während Du auf einem Marschboden durch Pfützen und Schlamm läufst.
Das liegt an der unterschiedlichen Wasserspeicherfähigkeit und dem unterschiedlich schnell ablaufendem Wasser.

Versuch 5

Wasserdurchlässigkeit, -kapazität

 Ist das Wasser das jetzt abfließt das gleiche, das Du oben hineingeschüttet hast ?

 Beschreibe die Unterschiede zwischen den Bodenarten ?

 Verwende in einem neuen Versuch Bodenproben, die Du nur getrocknet und nicht zerkleinert hast.
Wie ändert sich das Ergebnis ? Woran liegt das ?
 

Die Düngung der Äcker im Winter macht Sinn, da die Nährstoffe, die dem Boden zugeführt werden, gespeichert werden können. Dies ist möglich da die Nährstoffe als Ionen beigegeben werden, die an den Bodenpartikel adsorbieren können.
Im folgenden wollen wir die unterschiedlichen Speicherfähigkeiten der Böden untersuchen.

Versuch 6

Abschätzung der Ionenaustauschkapazität

Trockne die Bodenproben in einem Trockenschrank, bei 105°C oder lasse sie an der Luft trocken werden.
Säge den Boden der PET-Flaschen ab, bohre ein etwa 3mm dickes Loch in den Deckel und stecke ein Stück Watte in den Flaschenhals.
Befestige die Flaschen so an einem Stativ, das sie mit dem Kopf nach unten über einem Becherglas hängen (vergleiche Skizze).
Vergleiche die Durchflußgeschwindigkeiten der Flaschen, indem Du in alle Flaschen die gleiche Menge Wasser füllst und wartest bis das Wasser durchgeflossen ist.
Achte darauf, das Du nur Flaschen verwendest, deren Durchflußgeschwindigkeit ähnlich ist.
Als Alternative zu den durchbohrten Deckeln kannst du auch Korken mit einem abgeschrägten Ende verwenden. Hier kannst Du den Durchfluss variieren, je nachdem wie weit der Korken in der Flasche steckt.
Siebe alle (außer den Torf) Bodenproben durch ein gleich grosses Sieb.
Falls die Tonböden zu grob sind kannst Du sie mit einem Mörser zerkleinern.
Messe die Leitfähigkeit des Wassers, das Du auf die Böden gießt und des Wassers, das die Böden durchflossen hat und notiere das Ergebnis.
Gib solange Wasser auf die Böden bis die im Durchflußwasser gemessene Leitfähigkeit sich nicht mehr von der des zugegebenen Wassers unterscheidet.
Vergleiche die Anzahl der Durchgänge, die für die verschiedenen Böden nötig sind.

 Wo sind die meisten Nährstoffe vorhanden ?

 Jetzt versuchen wir abzuschätzen, wie viele Ionen die verschiedenen Böden adsorbieren können.
Stelle eine 0,5 M NaCl-Lösung (entspricht etwa dem mittleren Salzgehalt des Seewassers) her.
Messe die Leitfähigkeit der Lösung und notiere das Ergebnis.
Gib die Lösung in jeweils 100ml Portionen auf die Bodenproben.
Messe nach dem Durchfluß die Leitfähigkeit und trage den Wert in eine Tabelle ein.
Gib solange von der NaCl-Lösung zu bis die Leitfähigkeit im Durchflußwasser der des Salzwassers entspricht.
Leitfähigkeit von

	Sandboden	Oberboden	Unterboden	Torfboden
+100 ml
+100 ml
+100 ml
+100 ml
+100 ml
+100 ml
Summe

Für die Abschätzung benötigst Du eine Messreihe mit verschiedenen NaCl-Konzentrationen.
Stelle vier NaCl-Lösungen mit den Konzentrationen 0,01, 0,05, 0,1 und 0,25 her.

	0,05M NaCl	0,1M NaCl	0,2M NaCl	0,4M NaCl	0,5M NaCl
Leitfähigkeit in mS

Messe von jeder Lösung die Leitfähigkeit und notiere das Ergebnis.
Erstelle einen Graphen indem Du die Leitfähigkeit gegen die Konzentration aufträgst.
Um die Konzentration abzuschätzen musst Du die Gesamtleitfähigkeit der adsorbierten Ionen berechnen. Trage in die Tabelle für jeden Durchlauf die Differenzen zwischen der zugegebenen und der abgeflossenen Leitfähigkeit ein. Addiere dann diese Werte für jeden Boden. Suche im Graphen die zu diesem Leitfähigkeitswert gehörende Konzentration. Diese entspricht einer groben Abschätzung der adsorbierten Ionenkonzentration.

	Anzahl Durchläufe x Leitfähigkeit von 0.5M NaCl - Leitfähigkeitssumme Sandboden	Anzahl Durchläufe x Leitfähigkeit von 0.5M NaCl - Leitfähigkeitssumme Oberboden	Anzahl Durchläufe x Leitfähigkeit von 0.5M NaCl - Leitfähigkeitssumme Unterboden	Anzahl Durchläufe x Leitfähigkeit von 0.5M NaCl - Leitfähigkeitssumme Torfboden
Leitfähigkeit der adsorbierten Ionen

Vergleiche die Adsorbtionsfähigkeit der Böden.
 

Batch-Methode
Geräte und Materialien
Magnetrührer
500 ml Becherglas
dest. Wasser
Bodenproben
Stativ
Diese Methode ist etwas weniger zeitaufwendig als die vorhergehende.

 Gebe zu 50g einer Bodenprobe 300 ml dest. Wasser und einen Rührfisch.
Stelle den Behälter auf den Magnetrührer und befestige den Leitfähigkeitsmesser mit einem Stativ so, daß er in die Lösung taucht ohne den Rührfisch zu behindern.
Stelle den Magnetrührer an und beobachte die Leitfähigkeitsänderung, wobei du, falls vorhanden, einen y-t-Schreiber verwenden kannst.

 Unterscheiden sich die Maximalwerte und die Geschwindigkeit der Leitfähigkeitsänderung der Bodenproben ?

 Lasse die Lösung einen Tag stehen und messe dann erneut die Leitfähigkeit. Gibt es unterschiede zum Vortag ? Wenn ja, woher stammen diese ?
 

Mehrwertige Ionen von Schwermetallen wirken in grossen Mengen schädlich für die Vegetation und im Trinkwasser nicht erwünscht.
Mit einem einfachen Versuch kannst Du Dir eine Vorstellung davon machen, welche Böden diese Ionen anreichern und somit als Filter dienen.

Versuch 7

Eisenadsorption

Stelle von der FeCl₃-Lösung , die Du zugibst, eine Referenzlösung her, indem Du 5ml der Lösung und 1ml KSCN-Lösung in ein Reagenzglas gibst. Die Lösung färbt sich blutrot.
Gib nun noch den Magnetfisch in die Lösung und stelle das Ganze auf den Magnetrührer.
Lasse sie Lösung etwa eine Stunde rühren.
Warte bis der Boden abgesetzt hat und gib dann mit der Pipette 5ml der Lösung in ein Reagenzglas.
Gib jetzt noch 1ml KSCN dazu. Vergleiche die Rotfärbung mit der Referenzlösung.
Die adsobierten Eisenionen können wieder in Lösung gebracht werden, indem ein Überschuß an H₃O⁺ zugegeben wird.
Um das zu erreichen gibst Du jetzt 5ml von 20% HCl in das Becherglas und lässt die Lösung noch eine Stunde rühren.
Nach der Stunde gibst Du wieder 5ml Lösung mit 1ml KSCN in ein Reagenzglas und vergleichst die Färbung mit der Referenzlösung.
Stimmt die Farbe noch nicht überein, dann gibst Du noch einmal 5ml HCl zu und wiederholst den ganzen Vorgang.

 Vergleiche die Färbungen für jede Bodenart.

 Warum sind die Mengen Boden für Sand und Ton so unterschiedlich?

 Welchen Einfluß hat der saure Regen auf die Filterwirkung der Böden ?