Wasser

Wasser - H₂O

• reines Wasser ist geruchs-, geschmacks- und nahezu farblos.

• Die Wasserstoffatome sind in einem Winkel von 105° um das Sauerstoffatom angeordnet. Die Sauerstoffatome besitzen eine stärkere negative Ladungsverteilung innerhalb des Moleküls. Dabei bildet das Sauerstoffatom den negativen Pol und die Wasserstoffatome die positiven Pole. Das Wassermolekül ist also ein Dipol. Auf dem Dipolcharakter des Wasser beruhen einige chemische Eigenschaften, sowie eine Reihe von biologischen Funktionen:

• Teilchen mit elektrischen Ladungen oder Teilladungen ziehen Wassermoleküle an und umgeben sie mit einer Wasserhydrathülle Dadurch wird die Löslichkeit von Ionen und von Molekülen mit polaren Gruppen (-OH-, -COO- und NH₄ ⁺) ermöglicht. Stoffe mit polaren Gruppen sind daher hydrophil, Stoffe mit apolaren Gruppen (z.B. -CH₃) hydrophob. Die Hydrathüllen von Ionen spielen für den Transport durch die Membran eine wichtige Rolle.

• die positiv geladenen Wasserstoffatome stehen mit den Elektronenpaar des Sauerstoffatoms eines weiteren Wasserstoffmoleküls in Wechselbeziehung (Wasserstoffbrückenbindung). Diese Bindungen zwischen den Wasserstoffmolekülen sind im Vergleich zu anderen Molekülbindungen relativ stark. Dadurch besitzt Wasser einen höheren Siede- und Schmelzpunkt als andere Stoffe in der Zelle, eine große Oberflächenspannung und eine höhere spezifische Wärmekapazität. Aufgrund dieser Eigenschaften kann Wasser regulierend auf die Temperatur in einer Zelle einwirken.

Die Funktion des Wassers in einer Zelle:

Die tierische Zelle besteht zu ca. 70% aus Wasser. Aufgrund seines dipolen Charakters dient Wasser als Lösungsmittel für Ionen und Salze und ermöglicht deren Transport durch die Membrane. Wasser ist außerdem ein wichtiger Reaktionspartner in Stoffwechselprozessen und dient als Mittel zur Temperaturregulation in einer Zelle.

• 75% des menschlichen Körpers bestehen aus Wasser

• 2/3 der Erdoberfläche ist mit Wasser bedeckt.

Die Anomalie des Wasser

Oberhalb des absoluten Nullpunkts von 0 K bewegt sich jedes Atom, auch wenn es zu einem festen Stoff verbunden ist. Diese Bewegung ist von der Temperatur abhängig; wird es wärmer, nimmt die Bewegung zu, wird es kälter, verhalten sich auch die Moleküle träger. Bis zu einer bestimmten Temperatur, beim Wasser 0 °C, liegt ein Stoff in in fester Form vor; die Atome bewegen sich sowenig, daß ein fester Stoff vorliegt, die Atome liegen in Kristallgittern vor. Dieser Punkt wird auch als Festpunkt oder beim Wasser als Gefrierpunkt bezeichnet. Ab einer bestimmten Temperatur bewegen sich die Teilchen so stark, daß sie in den gasförmigen Zustand übergehen. Dieser Punkt wird als Verdampfungspunkt, oder beim Wasser auch als Siedepunkt, bezeichnet.

• Jedes Atom bewegt sich. Diese Bewegung ist abhängig von Temperatur und Druckverhältnis.

Wasser bildet aufgrund der Anziehung eines Wasserstoffatom mit dem Sauerstoffatoms eines anderen Wassermoleküls sog. Wasserstoffbrücken. Diese Brückenbildung ist abhängig von der Bewegung der Teilchen.

• Da die Bewegung der Teilchen von der Temperatur abhängig ist, ist auch die Wasserstoffbrückenbildung abhängig von der Temperatur.

Bei einer Temperatur von 4 °C (bei Normaldruck und auf Meereshöhe) ist die Bewegung optimal, so daß sich die Wassermoleküle aufgrund der Brückenbildung eng aneinander schmiegen. Die Dichte des Wasser beträgt bei dieser Temperatur 1 g/cm³. Unterhalb dieser Temperatur bewegen sich die Moleküle sowenig, daß gelöste Brücken nicht schnell genug wieder verbunden werden können. Die Dichte des Wasser beträgt daher unter 0 °C 0,9168 g/cm³, bei genau 0 °C 0,9999 g/cm³.

Ab 4 °C nimmt die Dichte wieder ab, da die Bewegung so groß ist, daß Wasserstoffbrücken schnell wieder gelöst werden.

Die Dichtezunahme beim Verfestigen läßt sich wie folgt erklären:

Beim Gefrieren bildet sich aus den losen, nur über Wasserstoffbrücken verbundenen Wassermoleküle ein weitmaschiges, mit zahlreichen Hohlräumen durchsetztes Kristallgitter, das mehr Platz einnimmt, als die Einzelmoleküle.

Im Folgenden eine Liste verschiedener Dichten des Wassers bei verschiedenen Temperaturen (jeweils in g/cm³ und bei Normaldruck in Meereshöhe):

0°C 0,9168; 1°C 0,9999; 4°C 1,0000; 10°C 0,997; 15°C 0,9991; 20°C 0,9982; 25°C 0,9971; 100°C 0,9584)

Was bedeutet dies für die Praxis?

Das Phänomen der Anomalie begegnet uns in jedem Gewässer. Im Frühjahr, wenn das Wasser auf 4°C erwärmt wurde, sinkt es nach unten. Neues Wasser gelangt an die Oberfläche und wird ebenfalls erwärmt, bis das gesamte Wasser eine Temperatur von 4°C hat. Wird das Wasser immer weiter erhitzt, bilden sich in dem Gewässer 3 Schichten unterschiedlicher Temperaturen (und demnach auch Dichte). Die oberste (Epilimnion) hat die höchste Temperatur. In dieser Schicht zirkuliert das Wasser. In der letzte Schicht (Metalimnion oder Springschicht)fällt die Temperatur rapide ab. Die nächste Schicht (Hypolimnion) hat eine Temperatur von 4°C. Im Herbst, wenn das Wasser wieder abkühlt gleicht sich die Temperatur wieder aus und das gesamte Gewässer hat eine Temperatur von 4°C. Kühlt im Winter das Wasser weiter ab, so bildet sich auf der Oberfläche - aufgrund der Dichte schwimmt das kältere Wasser oben und der Teich friert von oben nach unten zu, nicht von unten nach oben - eine Eisschicht, die mit Abnahme der Temperatur immer dicker wird. Die Phasen, in denen das Wasser zirkuliert (Hebst und Winter) nennt man Zirkulationsphasen, die, in denen das Wasser nicht (Winter) oder nur an der Oberfläche zirkuliert nennt man Stagnationsphasen.

Ließe sich Wasser in einem Thermometer verwenden?

Da sich das Wasser sich nicht gleichmäßig ausdehnt ist es eher ungeeignet für Thermometer. Da das Wasser bei 4°C die höchste Dichte hat, würde das Thermometer mit Wasser die höchste Temperatur auch bei 4°C anzeigen. Bestimmte Temperaturen über 4°C und unter 4°C würden den selben Ausschlag auf dem 'Wasserthermometer' auslösen und ließen sich so nicht unterscheiden.

Warum gefriert Wasser bei 0°C und siedet bei 100°C?

Im 18. Jahrhundert dachte Anders Celsius, ein Schwedischer Wissenschaftler, über die Einteilung des Thermometers nach, das damals noch in Fahrenheit maß. Infolge dessen legte er eine neue Skala für das Thermometer fest, die sich mittlerweile fast in der ganzen Welt durchgesetzt hat. Er legte willkürlich fest, daß die Temperatur, bei der Wasser gefriert 0°C ist. Dann kochte er das Wasser bis zum Sieden und bezeichnete den Punkt der Verdampfung als 100°C. Der Abstand zwischen beiden Punkten teilte er in 100 gleiche Teile ein.

Warum ist Wasser bei Normaltemperatur ein flüssiger Stoff und nicht wie gleich große Moleküle gasförmig?

Auch dieses Phänomen läßt sich mit der Wasserstoffbrückenbildung erklären. Ein einzelnes Wassermolekül besteht zwar nur aus drei Atomen, doch sobald mehrere Wassermoleküle zusammenkommen, bilden sie Brücken und verhalten sich deshalb wie ein Stoff mit größeren Molekülen.

Wie läßt sich das Phänomen der Oberflächenspannung erklären?

Da sich an jedem Wassermolekül mehrere weitere befinden, lösen sich anziehende und abstoßende Kräfte auf. An einer Grenzfläche zur Luft aber ist das Wassermolekül nur von einer Seite von anderen Molekülen umgeben und daher ist die abstoßende Kraft von unten höher, als die abstoßenden Kraft der Luft. So heben sich die an der Grenzfläche befindlichen Moleküle an und bilden scheinbar eine Haut, auf der z.B. ein Wasserläufer laufen kann. Durch dieses Phänomen läßt sich auch erklären, weshalb ein Wasserglas ein wenig über den Rand hinaus gefüllt werden kann, so daß sich das Wasser an der Oberfläche wölbt.

Wieso lösen sich bestimmte Stoffe in Wasser, andere jedoch nicht?

Moleküle, die polar sind, wie Verbindungen mit -OH-, -COO- oder NH₃⁺-Resten, sind wasserlöslich. Diese Reste gehen mit dem Wasser Wasserstoffbrücken ein. Wasserlösliche Stoff sind z.B.: Salze (wie NaCl u.ä.), Saccharide (Zucker). Apolare Stoffe (z.B. mit CH₃-Resten), wie z.B. Lipide (Fette), bilden mit den Wasser keine Wasserstoffbrücken und sind demnach nicht wasserlöslich, höchsten bei mechanischen Einwirkungen können sie im Wasser suspendieren, setzen sich aber nach gewisser Zeit, je nach Dichte, als Phasen auf dem Wasser schwimmend oder unterhalb des Wassers ab. Wasserlöslich Stoffe bezeichnet man als hydrophil, wasserunlösliche Stoffe als hydrophop.

Wie wirkt Seife?

Seife besteht aus Molekülen, die sowohl hydrophil sind (-COO), sich also im Wasser lösen, als auch lipophil sind (sich also in Fetten lösen; -CH₃). So heftet sich die Seife einerseits an das Fett und andererseits an die Wassermoleküle an und so ist es möglich, daß sich Fett in Wasser löst. Durch solche Stoffe, die man Tenside nennt, löst sich auch die Oberflächenspannung des Wassers auf. Tenside wirken ähnlich, wie Emulgatoren.

Obwohl Tenside für den Menschen sehr praktisch sind, stellen sie für die Natur eine große Gefahr da, da Tenside in der Natur nicht, oder nicht vollständig abgebaut werden können, bilden sich in belasteten Gewässern durch Aufwühlung (z.B. an einem Wehr) Schaumkronen. Fische und Pflanzen können infolge einer Tensidbelastung sterben. Heutzutage werden teilweise auch abbaubare Tenside verwendet.