Wasser

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

Ansehen : Starten Sie die Jmol–Visualisierung durch Anklicken des Moleküls.

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.

Gasförmiges Wasser ist unsichtbar. In der Atmosphäre ist es als Wasserdampf enthalten. Wir nehmen es als Luftfeuchtigkeit wahr.
Flüssiges Wasser kennt jeder nicht nur aus dem Wasserhahn, sondern auch aus Meeren, Seen und Flüssen. Auch Wolken, Regen, Nebel und Tau sind flüssiges Wasser.
Festes Wasser kommt in vielerlei Formen vor. Mit Eis bezeichnet man kompakte Kristalle von festem Wasser. Schnee ist eine eher lockere Zusammenballung von kleinen Eiskristallen. Andere bekannte Formen von festem Wasser sind Hagel, Graupel und Reif. In den Bergen hat man viele Begriffe für die verschiedenen Arten von Eis und Schnee.
Man sagt, die Bewohner Grönlands kennen 50 Worte für unterschiedliche Arten von gefrorenem Wasser. Wir glauben das gern, denn wir können uns gut vorstellen, dass es in dieser schneereichen Gegend viel mehr Schneearten gibt und dass es überlebenswichtig ist, sie alle unterscheiden zu können, aber stimmt das ?
Lesen Sie mehr über Schnee im Online–Guide to snowflakes.

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.

Das Wassermolekül ist polar. Die Elektronegativität von Sauerstoff ist deutlich größer als die von Wasserstoff. Dadurch werden die Elektronen der beiden Bindungen zum Sauerstoffatom hingezogen, und es entsteht am Sauerstoffatom eine negative Teilladung, an den Wasserstoffatomen eine positive Teilladung.
Das Wassermolekül ist gewinkelt. Das lässt sich mit dem VSEPR–Modell von Gillespie leicht erklären.

Die Struktur des flüssigen Wassers wird durch mehrere Effekte bestimmt.

Die Wasserstoffbrückenbindung ist eine mäßig starke Bindung zwischen 2 Wassermolekülen.

Zwischen 2 Wassermolekülen bildet sich eine Wasserstoffbrückenbindung. Dabei wirken zwischen der negativen Teilladung am Sauerstoffatom des einen Wassermoleküls und der positiven Teilladung an einem Wasserstoffatom eines zweiten Wassermoleküls elektrische Anziehungskräfte. So werden die beiden Moleküle aneinander gebunden. Dies ist in der nebenstehenden Graphik veranschaulicht.
Diese Anziehungskräfte wirken nicht nur zwischen 2 Molekülen. Es können Zusammenballungen (engl. cluster) von vielen Wassermolekülen entstehen, die durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten werden. Die Größe dieser Cluster hängt von der Temperatur ab. Bei 20 °C beträgt sie im Durchschnitt 9 Moleküle; direkt unterhalb des Siedepunkts bestehen die Cluster im Durchschnitt nur noch aus 2 Molekülen.
Die Cluster sind zeitlich und räumlich veränderlich. Der Grund ist, dass die Wasserstoffbrückenbindungen recht schwach sind. Bei Zimmertemperatur ist genug Energie vorhanden, um ständig Wasserstoffbrücken zu spalten – und so schnell, wie sie gespalten sind, bilden sich an anderer Stelle neue. Man kann also für eine gegebene Temperatur nur eine durchschnittliche Clustergröße angeben. Es gibt bei dieser Temperatur kleine, mittlere und größere Cluster. Vergleichen Sie dazu die untenstehende Graphik.

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.

mehr über die Kristallstruktur von festem Wasser – demnächst
mehr über den gasförmigen Zustand
mehr über den flüssigen Zustand
mehr über den festen Zustand
mehr über polare Bindungen
mehr über Wasserstoffbrückenbindungen

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.

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physikalische Eigenschaften