Wasser
Wasser - ein Meer aus Clustern
Das in vielerlei Hinsicht besondere Verhalten des Wassers lässt sich nur durch die Beschaffenheit der Wasserstruktur und die Wasserstoffbrücken-Bindung erklären. Anschaulich ausgedrückt: Eine größere Anzahl von Wasser-Molekülen verbindet sich zu dynamisch veränderlichen, räumlich angeordneten Gruppen, so genannten Polymeren oder Clustern, deren Beschaffenheit die Qualität des Wassers wesentlich zu bestimmen scheint. Nach bisherigen Untersuchungen können diese Gruppen aus 2 bis zum Teil 500 einzelnen Molekülen bestehen. In Wassermolekülen sind die Elektronen höchst ungleich zwischen dem Sauerstoffatom und den beiden Wasserstoffatomen verteilt. Der Sauerstoff zieht aufgrund seines ausgeprägten Elektronenhungers die Elektronen vom Wasserstoff weg. Daher sind Wassermoleküle elektrische Dipole, in denen der Sauerstoff negativ, der Wasserstoff aber elektrisch positiv ist.
Im flüssigen Wasser sind die Moleküle in ständiger Bewegung. Nähert sich ein Wassermolekül einem zweiten, so ziehen sich ein Wasserstoffatom des ersten Moleküls und der Sauerstoff des zweiten Moleküls an. Insgesamt kann sich ein Wassermolekül mit bis zu 4 weiteren Molekülen umgeben. Dieses Konstruktionsprinzip ermöglicht die Bildung der unterschiedlichsten Strukturen, ja sogar regelrechter Netzwerke, die sich ständig auflösen und neu formieren können. Diese Molekülgruppierungen sind viel zu klein um sie direkt beobachten zu können, dennoch lassen sich z.B. durch spezielle Methoden der Laser-Spektroskopie und ständig verfeinerte mathematische Modelle die strukturbedingten besonderen Eigenschaften des Wassers immer weiter enträtseln. Grundlegende Untersuchungen dazu hat z.B. Professor Saykally von der University of Berkeley durchgeführt. Er und seine Forschungsgruppe konnten bereits durch eine besondere Zerstäubungstechnik und Laser-Spektroskopie Wasser-Cluster von 2 bis 9 Wassermolekülen untersuchen.
Wasser verhält sich physikalisch anders als andere Stoffe. Die heutige Wissenschaft ist manchen Wasser-Rätseln noch nicht auf die Spur gekommen!
So alltäglich Wasser für uns auch sein mag, so überaus rätselhaft ist es auch. Welche molekularen Besonderheiten seinem in vieler Hinsicht anormalen Verhalten zugrunde liegen, konnte bisher nur in Ansätzen wissenschaftlich untersucht und abgeklärt werden.
Wasser ist das einzige anorganische Lebensmittel, das in flüssigem Zustand vorkommt. Nach den Gesetzen der Chemie dürfte Wasser eigentlich nur gasförmig auftreten, da es sich aus zwei Gasen, dem sehr leichten Wasserstoff und dem relativ schweren Sauerstoff zusammensetzt. Die Tatsache, dass Wasser flüssig ist, begründet sich in einer besonderen Wechselwirkung seiner Bausteine, der Moleküle. Wassermoleküle fügen sich zu Gruppen, so genannten Clustern zusammen, die sich innerhalb von Sekundenbruchteilen auflösen und dynamisch zu neuen Konfigurationen aufbauen.
Höchste Dichte bei 4 Grad Celsius
Wasser zeigt gegenüber anderen Stoffen ein abweichendes Ausdehnungsverhalten bei Temperaturänderungen. Es hat bei plus vier Grad Celsius sein kleinstes Volumen bzw. seine größte Dichte. Dies hat ganz erhebliche Auswirkungen auf die Überlebensmöglichkeiten der im Wasser lebenden Tiere im Winter sowie die vertikale Durchmischung der Ozeane und damit auf die globale Wärmeregulation, um nur zwei Beispiele zu nennen.
Bei Gefrieren weitere Ausdehnung
Wenn Wasser zu Eis gefriert, dehnt es sich noch einmal um ca. ein Elftel seines Volumens aus. Eisschollen schwimmen also immer an der Oberfläche der Ozeane. Dies ist eine Voraussetzung dafür, dass sie auch wieder durch Sonneneinstrahlung aufgetaut werden können.
Größte spezifische Wärme
Die spezifische Wärme des Wassers ist die größte unter allen bekannten Stoffen. Sie ist zwei- bis fünfmal größer als bei festen Stoffen wie z.B. Stein oder Erde. Diese enorme Speicherfähigkeit und Möglichkeit zur Abgabe von Wärmeenergie bewirkt in der Natur so etwas wie eine natürliche Klimaanlage: Die Wärmemenge, die 1 Kubikmeter Seewasser bei Abkühlung um 1 Grad abgibt, kann z.B. 3100 Kubikmeter Luft um 1 Grad erwärmen.
Auch die spezifische Wärme des Wassers selbst besitzt eine leichte Temperaturabhängigkeit. Sie hat bei ca. 37 (!) Grad ihr Minimum. Bei Wasser von 37 Grad Celsius ist also der geringste Energieaufwand nötig, um eine bestimmte Temperaturänderung herbeizuführen. Unsere Körpertemperatur liegt also bei einem energietechnischen Optimum.
Größte Schmelz- und Verdampfungswärme
Das Wasser besitzt unter allen Stoffen die Größte Schmelz- und Verdampfungswärme. Es werden 80 Kilokalorien benötigt, um ein Kilogramm Eis von 0 Grad Celsius in ein Kilogramm Wasser von 0 Grad Celsius zu verwandeln. Mit der gleichen Wärmemenge könnte man diesen Liter Wasser von 0 Grad auf 80 Grad Celsius erhitzen. Um 1 Kilogramm bereits kochendes Wasser in Dampf zu verwandeln, sind sogar 536 Kilokalorien aufzubringen.
Gefrier- und Siedepunkt als Temperaturreferenz
Der Gefrierpunkt des Wassers bei 0 Grad und die Verdampfungstemperatur, das „Kochen“ des Wassers bei 100 Grad, wurden zur Definition unserer Celsius-Temperaturskala herangezogen.