Ohne jeden Zweifel ist Wasser der wichtigste Stoff. Es ist ein anorganischer Stoff und hat die Formel H2O.
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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° .
Bild 3 : 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.
Wasser kommt auf der Erdoberfläche in großen Mengen vor.
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.
Bild 4 : Die Wasserstoffbrückenbindung (gestrichelt) ist eine mäßig starke Bindung zwischen 2 Wassermolekülen.
Bild 5 : 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.
von denen hier einige erklärt werden.
Mehr über die Gründe für den relativ hohen Siedepunkt des Wassers demnächst.
Bild 6 : Wasser hat seine höchste Dichte bei 4 °C. Sie beträgt 0,99997 g/cm3. Bei 0 °C ist sie, wenn auch nur wenig, niedriger.
Bild 7 : Auch dieses Gewässer es ist der Havelkanal bei Brieselang friert von oben zu.
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. Bild 6 zeigt die Dichte von Wasser in Abhängigkeit von der Temperatur.
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.
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 (Bild 7), 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 nicht nur die eine, hier beschriebene Anomalie. Martin Chaplin von der South Bank University in London zählt auf seiner Internetseite insgesamt 74 Anomalien auf und erklärt sie.
Mehr über die Gründe für die unterschiedliche Dichte von Wasser und Eis demnächst.
Mehr zu diesem Thema demnächst.
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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 H2OMolekülen. Nahe dem Schmelzpunkt sind es im Durchschnitt über 10 Moleküle. Klar ist auch (Sie können es in Bild 5 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.
Mehr zu diesem Thema demnächst.
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