Wasser

Ohne jeden Zweifel ist Wasser der wichtigste Stoff. Es ist ein anorganischer Stoff und hat die Formel H2O.

 

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Struktur

Das Wassermolekül ist nicht, wie man im ersten Moment vermuten könnte, linear, sondern gewinkelt aufgebaut. Das Sauerstoffatom befindet sich im Zentrum, die beiden Wasserstoffatome sind an das Sauerstoffatom gebunden. Die beiden Bindungen bilden einen Winkel von 104,5° .

Ein Vulkanausbruch ? Nein, das sind
Cumuluswolken kurz vor Sonnenuntergang über
Sedrun/Graubünden. Sie bestehen aus flüssigem
Wasser. Lesen Sie mehr über Wolken und ihre
Bildung im  Wolkenatlas.

Vorkommen

Wasser kommt auf der Erdoberfläche in großen Mengen vor.

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Aggregatzustände

gasförmiges Wasser : In gasförmigem Wasser sind (wie in allen Gasen) einzelne Wassermoleküle vorhanden, die sich unabhängig voneinander regellos im Raum bewegen.

festes Wasser : Im Eis ordnen sich die Wassermoleküle auf recht komplizierte Weise zu Kristallen an.

flüssiges Wasser : 2 Eigenschaften des Wassermoleküls bewirken die Eigenschaften des flüssigen Wassers.

    Die Struktur des flüssigen Wassers wird durch mehrere Effekte bestimmt.

Die Wasserstoffbrückenbindung
ist eine mäßig starke Bindung
zwischen 2 Wassermolekülen.

Bild 3 : Links sind 4 Cluster aus 12, 8, 7 und 3 Wassermolekülen. Nur durch das Lösen und Neuknüpfen von Wasserstoffbrücken, aber fast gar nicht durch Ortsveränderung der Wassermoleküle bilden sich 4 völlig andere Cluster mit 13, 10, 4 und 3 Wassermolekülen.

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Wasser ist ein Stoff mit besonderen Eigenschaften

von denen hier einige erklärt werden.

Wasser ist bei Zimmertemperatur flüssig

Mehr über die Gründe für den relativ hohen Siedepunkt des Wassers demnächst.

Wasser hat seine höchste Dichte bei 4 °C.
Sie beträgt 0,99997 g/cm3.
Bei 0 °C ist sie, wenn auch
nur wenig, niedriger.

Auch dieses Gewässer –
es ist der Havelkanal bei Brieselang –
friert von oben zu.

Die Dichteanomalie des Wassers

Bei den meisten Stoffen nimmt die Dichte im flüssigem Zustand mit steigender Temperatur ab. Nur bei ganz wenigen Stoffen, darunter Wasser, ist es anders. Es hat seine höchste Dichte bei 4 °C (genau : bei 3,984 °C). Die Dichte nimmt also vom Schmelzpunkt bis 4 °C zu, dann bis zum Siedepunkt ab.

Was ist der Grund für die Dichteanomalie ?

Das Netzwerk zerfällt : In flüssigem Wasser sind Cluster aus Wassermolekülen vorhanden. Solche Cluster sind sperrig, Sie sind umso sperriger, je mehr Moleküle sie enthalten. Nahe dem Schmelzpunkt sind die Cluster groß. Sie enthalten im Durchschnitt über 10 Moleküle. Mit steigender Temperatur werden die Cluster kleiner. Durch die höhere Temperatur ist ja mehr Energie vorhanden, und die doch recht schwachen Wasserstoffbrückenbindungen können häufiger gespalten werden. Kleinere Cluster sind weniger sperrig und brauchen weniger Platz. Wasser, das aus kleineren Clustern besteht, hat also eine größere Dichte als Wasser, das aus größeren Clustern besteht. Da die Clustergröße mit steigender Temperatur abnimmt, sollte die Dichte zunehmen.
Thermische Ausdehnung : Bei höherer Temperatur haben die Moleküle eine höhere thermische Energie. Das heißt, sie bewegen sich schneller und brauchen dadurch mehr Platz. Die Dichte sinkt also mit steigender Temperatur. Dieser Effekt heißt „thermische Ausdehnung”.
Wer gewinnt ? Die beiden Effekte (Zerfall des Clusternetzwerks und thermische Ausdehnung) wirken gegeneinander. Bei Temperaturen unter 4 °C ist der erste Effekt der stärkere. Bei Temperaturerhöhung zwischen 0 °C und 4 °C nimmt die Dichte von Wasser also zu. Bei Temperaturen über 4 °C ist der zweite Effekt dominierend. Bei Temperaturerhöhung zwischen 4 °C und dem Siedepunkt nimmt die Dichte von Wasser ab.

Welche Auswirkungen hat die Dichteanomalie ?

Betrachten wir mal ein stehendes oder sehr langsam fließendes, etwa 20 °C warmes Gewässer. Was passiert beim Abkühlen ? Das kalte Wasser hat eine größere Dichte als das wärmere und sinkt nach unten. Bis zu einer Temperatur von 4 °C sammelt sich also kaltes Wasser am Grund des Sees, wärmeres an seiner Oberfläche. Bei weiterer Abkühlung drehen sich die Verhältnisse um. Das kalte Wasser hat nun eine geringere Dichte und steigt zur Oberfläche. Am Grund des Sees ist ein wenig wärmeres Wasser. Nun fällt die Temperatur unter 0 °C. Das kalte Wasser befindet sich an der Oberfläche des Sees. Dort begint der See zu gefrieren, und nicht etwa am Grund. Das ist nicht nur für Eisläufer sehr erfreulich, sondern auch für Fische und andere Lebwesen im See. Ist er tief genug, bleibt das Wasser am Grund flüssig, und die Tiere können dort überleben.

Wasser hat noch mehr Anomalien

Wasser hat nicht nur die eine, hier beschriebene Anomalie. Martin Chaplin von der South Bank University in London zählt auf seiner Internetseite insgesamt  63 Anomalien auf und erklärt sie.

Eis schwimmt auf dem Wasser

Mehr über die Gründe für die unterschiedliche Dichte von Wasser und Eis demnächst.

Die Wärmekapazität von Wasser

Mehr zu diesem Thema demnächst.

Die Schmelz– und Verdampfungswärme von Wasser

Mehr zu diesem Thema demnächst.

Die Viskosität von Wasser

Wie bei den anderen Anomalien auch liegt die Ursache in den Wasserstoffbrückenbindungen. Würde flüssiges Wasser aus Molekülen bestehen, die sich unabhängig voneinander bewegen, wäre die Viskosität niedrig, denn kleine, kompakte Moleküle können sich ohne große Schwierigkeiten aneinander vorbeibewegen. Wasser besteht aber nicht aus solchen unabhängigen Einzelmolekülen, sondern aus Clustern von mehreren H2O–Molekülen. Nahe dem Schmelzpunkt sind es im Durchschnitt über 10 Moleküle. Klar ist auch (Sie können es in Bild 3 erkennen), dass solche Cluster sperrig sind. Diese großen, sperrigen Cluster können sich nicht so ohne Weiteres aneinander vorbeibewegen. Sie verhaken sich immer wieder ein wenig, und es wird Energie benötigt, um die Reibung zeischen den Clustern zu überwinden. Die Viskosität ist somit höher als ohne Clusterbildung.

Die Oberflächenspannung von Wasser

Mehr zu diesem Thema demnächst.

physikalische Eigenschaften

 

 

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