Dr. rer. nat. Thomas Kaltofen

Wasser

So, nun möchte ich meinen ersten Beitrag in der Rubrik „Natur“ veröffentlichen. Und der Beitrag soll den größten Naturwunder der Erde widmen: dem Wasser. Ohne Wasser und seinen einzigartigen Eigenschaften wäre höheres Leben auf der Erde undenkbar. Der menschliche Körper besteht zu mehr als 70 % aus Wasser. Ein Wasserverlust von 10% führt zu empfindlichen Störungen im menschlichen Organismus, ein Wasserverlust von 20% bedeutet den sicheren Tod. Das Wasser macht zwar nur 1 % der Erdmasse aus, bedeckt aber über 70 % der Erdoberfläche in Form von Ozeanen, Flüssen und Seen. Somit macht die Landfläche nur ca. 30 % aus. Mehr als 97 % des auf der Erde vorkommenden Wassers ist das Salzwasser der Ozeane.

Das lebenswichtige Trinkwasser ist auf der Erde sehr ungleich verteilt. Der Grund dafür ist zum Einen die natürliche Ungleichverteilung, zum Anderen die starke Verschmutzung des Wassers. Rund 1,1 Milliarden Menschen haben keinen Zugang zu sauberem Wasser, 2,6 Milliarden müssen ohne angemessene sanitäre Anlagen auskommen und 1,8 Millionen Menschen sterben jährlich an wasserbedingten Krankheiten /1/. Ein Land mit erheblicher Wasserknappheit ist beispielsweise Saudia Arabien. Die Grundwasserreserven werden immer knapper. So besitz Saudia Arabien keine Seen und Flüsse, ein Großteil des Trinkwassers wird durch die Meerwasserentsalzung erzeugt. Ein Gegenbeispiel für diese Wasserknappheit ist Island mit seiner unvergleichlichen Natur. Der Wasserfall Gullfoss hat einen Durchfluss von 200 Tonnen/Sekunde, was einen täglichen Fluss von 17,28 Milliarden Litern Trinkwasser entspricht. Von diesem Wasser könnte jeder Mensch auf der Erde täglich zwei Liter trinken, in reinster Trinkwasserqualität. Bild 1 zeigt ein Bild dieses fantastischen Naturschauspiels Gullfoss.

Abb 1: Gullfoss Wasserfall in Island

Um den Gedanken der Wasserknappheit noch einmal aufzugreifen, soll hier ein mögliches Szenario für die Zukunft kurz andiskutiert werden. Da die Anzahl der Weltbevölkerung steigt, nimmt auch der Bedarf an Trinkwasser kontinuierlich zu. Ferner wird aufgrund des Klimawandels die Wasserknappheit durch die Verwüstung verschärft. Deshalb wird das Szenario eines Kriegs um Süßwasser immer Wahrscheinlicher. Derzeit gibt es Quellen, die von solchen Krisen ausgehen (siehe /2, 3/), aber auch weniger skeptische Ansichten werden verbreitet (siehe /4, 5/). Der interessierte Leser möge sich seine eigene Meinung bilden

Nach dieser kurzen Einleitung wollen wir uns nun dem Molekühl Wasser und seinen Eigenschaften widmen. Das Wasser besteht aus zwei Atomen Wasserstoff und einen Atom Sauerstoff. Abbildung 2 zeigt das Wassermolekül.

Abb. 2: Das Wassermolekül und einige seiner Eigenschaften. Das Wasserstoffatom hat eine Elektronegativität von 2,2 und das Sauerstoffatom 3,5. Die Elektronegativität ist ein Maß dafür, wie stark ein Atom Elektronen anziehen kann. Die Atome haben je nach Stellung im Periodensystem unterschiedlichstes Bestreben, Elektronen eines anderen Atoms anzuziehen. Ziel ist es jeweils, die Edelgaskonfiguration zu erreichen, bei der die Elektronenschalen vollständig mit Elektronen besetzt sind. So sind Atome der ersten und zweiten Hauptgruppe bestrebt, Elektronen abzugeben und sind dadurch elektropositiv. Atome der sechsten und siebenten Hauptgruppe haben dagegen ein Bestreben, Elektronen aufzunehmen und sind daher elektronegativ. Ab einen Elektronegativitätsunterschied von 1,7 spricht man von Ionenbindung, das stärker elektronegative Atom nimmt das Elektron vom Bindungspartner vollständig auf. Im Falle vom Wasser ist der Elektronegativitätsunterschied = 1,3. Damit handelt es sich beim Wasser um eine polare Atombindung. Damit ist das Wassermolekül teilweise (auch partiell genannt) positiv und teilweise negativ geladen. Diese Tatsache hat einen weitreichenden Einfluss auf die Eigenschaften des Wassers. Das Sauerstoffatom hat zwei freie Elektronenpaare, die in der Abbildung durch die schwarzen Striche links und rechts symbolisiert werden. Diese drücken auf die Wasserstoffatome und sorgen dafür, dass zwischen den Wasserstoffatomen sich ein Bindungswinkel von 104,5° einstellt. Die Bindungslänge einer Bindung zwischen einem Wasserstoffatom und dem Sauerstoffatom beträgt knapp 1 Ǻ (sprich Ångström, nach dem schwedischen Physiker Anders Jonas Ångström), das entspricht der Zahl 0,000.000.000.1 Meter.

Durch die oben beschrieben Tatsachen, bezüglich der Polarität hat das Wasser ganz besondere Eigenschaften, die mit seiner dreidimensionalen Vernetzung zu erklären sind. Diese Vernetzung ist unter den Namen Wasserstoffbrückenbindung bekannt. Die Wasserstoffbrückenbindung ist von physikalischer Natur, d. h. es wirken elektrostatische Kräfte. Um die Wasserstoffbrückenbindung mit anderen Bindungsarten vergleichen zu können, gibt Tabelle 1 einen Überblick über die Bindungsenergien und –längen, Abbildung 3 die Vernetzung der Wassermoleküle via Wasserstoffbrückenbindung.

Tab. 1: Bindungsenergien und –längen für verschiedene Bindungsarten

Bindung Beispiel Energie [kJ/mol] Reichweite bzw. Bindungslänge [Ǻngström] chemische Bindungen starke Kräfte Ionenbindung Natriumchlorid (Na-Cl) 3850 2,81 Atombindung C-H-Bindung 413 1,02 Metallbindung Kupfer (Cu) 220 2,64 physikalische Bindung schwache Kräfte Wasserstoff- brückenbindung Wasser 40 2,72 Dipol-Dipol-Wechselwirkung Intermolekulare Kräfte mit dauerhaften Dipolen, z. B. Chlorwasserstoffsäure (HCl) 5 1 / d³ van der Waals Kräfte zwischen Alkanen (Dodecan) 1 1 / d6 d … Durchmesser

Abb. 3: Vernetzung der Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen. Die schwarzen Striche sind chemische Bindungen und die roten Linien die Wasserstoffbrückenbindungen. Die Bindung entsteht, weil die negativ geladenen, freien Elektronenpaare des Sauerstoffs, mit den partiell positiv geladenen Wasserstoffatomen, wechselwirken.

Wie wir in oben stehender Tabelle sehen, ist die Wasserstoffbrückenbindung die stärkste physikalische Bindung. Dies hat einen weitreichenden Einfluss auf die Eigenschaften des Moleküls Wasser. Wie Abbildung 4 zeigt, wie sich die Schmelz – und Siedepunkte der Wasseranaloga der vierten, sechsten und siebenten Hauptgruppe verhalten. Mit Analoga ist folgendes gemeint: die Elemente der vierten Hauptgruppe bilden Moleküle der Struktur XH₄, und sie binden vier Wasserstoffatome. Die Elemente der sechsten Hauptgruppe bilden ebenfalls wie das Wasser Moleküle der Struktur XH₂, das heißt, sie binden mit zwei Wasserstoffatomen. Weiterhin wurden noch die Analoga der siebenten Hauptgruppe mit dargestellt, sie bilden Strukturen der Form XH, das heißt ein Atom der siebenten Hauptgruppe bindet an einen Wasserstoff.

Abb. 4: Schmelz- und Siedepunkte der primären Wasserstoffverbindungen der Atome der vierten, sechsten und siebenten Hauptgruppe. Bei den grünen Linien handelt es sich um die 4te, den blauen Linien um die 6te und den roten Linien um die 7te Hauptgruppe. Die umrandeten Vierecke stellen Schmelzpunkte und die ausgefüllten Vierecke Siedepunkte. 1 :Kohlenstoff (C), Sauerstoff (O) und Flour (F); 2: Silizium (Si), Schwefel (S) und Chlor (Cl); 3: Germanium (Ge), Selen (Se) und Brom (Br) sowie 4: Zinn (Sn), Tellur (Te) und Iod (I). Beim Überschreiten des Schmelzpunktes geht die Substanz von dem festen Aggregatzustand in den flüssigen über und umgekehrt erstarrt das Molekül beim Unterschreiten des Schmelzpunktes. Beim Überschreiten des Siedepunktes geht der Stoff von der flüssigen Phase in den gasförmigen Aggregatzustand und umgekehrt verflüssigt sich ein Gas beim Unterschreiten des Siedepunktes. Weiterhin sind noch die Phasenübergänge der Sublimation (Übergang vom festen in den gasförmigen Zustand) sowie Resublimieren (Übergang vom gasförmigen in den festen Zustand) bekannt. Ferner ist der Aggregatzustand eine Funktion des Druckes, die hier abgebildeten Daten entsprechen dem von 1 bar.

Abbildung 4 veranschaulicht sehr schön den Einfluss von intermolekularen Wechselwirkungen auf die Eigenschaften der Moleküle. Schauen wir uns erstmal die vierte Hauptgruppe an. Bei den Schmelzpunkten gibt es einen nahezu linearen Anstieg der Schmelzpunkte, d. h. das leichteste Atom (Kohlenstoff, C) hat den niedrigsten Schmelzpunkt. Bei den Siedepunkten ist es ähnlich, die Schmelzpunkte von Methan (CH₄) sind nahezu gleich auf mit Silan (SiH₄), weiter aufsteigen nimmt auch der Schmelzpunkt wieder zu. Die Wasserstoffverbindungen der Elemente der sechsten und siebten Hauptgruppe zeigt ein völlig anderes Verhalten. Sowohl bei den Schmelz- und Siedepunkten bildet sich in der zweiten Periode ein Minimum. Das Wasser (H₂O) und die Flusssäure (HF) haben einen deutlich höheren Schmelzpunkt als die Verbindungen der zweiten Periode. Dies ist den intermolekularen Wechselwirkungen zwischen den Wasser- bzw. Flussäuremolekülen. Die Vernetzung vom Wasser ist in Abbildung 3 dargestellt, da das Fluor ebenfalls extrem Elektronegativ ist und Brückenbindungen ausbildet. Durch diese Vernetzung ist es schwieriger die Moleküle zu verdampfen, da sie durch die Clusterbildung im Falle der Verdampfung in der flüssigen Phase gehalten werden. Es ist einfach eine viel größere Energiemenge notwendig, um die Vernetzung aufzubrechen. Dies veranschaulicht auch noch einmal Tabelle eins. Im Falle des Methans muss 1 kJ/mol aufgewendet werden, um die van der Waalskräfte zu überwinden. Im Falle des Wassers müssen dagegen 40 kJ/mol aufgewendet werden, um die Brückenbindungen zu überwinden.

So wird der ein oder andere denken, was interessiert mich diese Wasserstoffbrückenbindungen. Nun, dann muss ich antworten, das ohne diese Bindungen kein höheres Leben auf diesen Planeten geben würde. Wenn es diese polaren Bindungen nicht geben würde, so würde der Verlauf der Schmelz und Siedepunkte dem der Elemente der 4. Hauptgruppe gleichen. Das bedeutet, dass das Wasser einen Schmelzpunkt von etwa -130 °C und einen Siedepunkt von -80. Das würde bedeuten, dass das Wasser bei den auf der Erde vorkommenden Temperaturen in den gasförmigen Aggregatzustand. Damit hätte das Leben keine Chance.

Ein weiteres interessantes Phänomen des Wassers, welches ebenfalls wichtig für das Leben auf unseren Planeten, ist die Dichteanomalie. Wasser ist eine der wenigen Verbindungen auf der Welt, das im flüssigen Aggregatzustand ein Dichtemaximum hat. Darüber hinaus tritt dies noch bei einigen Elementen (Antimon, Bismut, Gallium, Germanium, Plutonium und Silicium) und sehr wenigen Verbindungen (Zirkoniumwolframat und Zinkcyanid) auf. Dieses liegt im Falle des Wassers bei 4 °C. Abbildung 5 zeigt den Kurvenverlauf der Dichte des Wassers in Abhängigkeit von der Temperatur.

Abb. 5: Dichte des Wassers in Abhängigkeit zur Temperatur. Bei 4°C ist das Dichtemaximum zu erkennen.

Wodurch kommt diese Dichteanomalie zu Stande und warum ist es so wichtig für das Leben auf unserer Erde? Im festen Zustand (Eis) gibt es eine sehr hohe „Fernordnung“. Das Wasser bildet Hochgeordnete Kristalle. Beim Übergang in die Flüssige Phase geht diese Ordnung verloren. Die Moleküle bewegen sich wesentlich schneller und füllen ein größeres Volumen aus. Da die Dichte definiert wird über r = m / V (r - Dichte; m – Masse sowie V - Volumen). Daraus lässt sich erkennen: Je höher das Volumen ist, desto geringer die Dichte. Da sich die Teilchen mit zunehmender Temperatur immer schneller bewegen, nimmt die Dichte kontinuierlich ab. Aber warum ist das beim Wasser anders? Die Antwort auf diese Frage liegt wieder in den Wasserstoffbrückenbindungen begründet. Diese kann man sich als kleine Cluster vorstellen und die einzelnen Teilchen nehmen weniger Platz ein, als ohne dem Vorhandensein von Brückenbindungen. Bei einer Temperatur von 4° C sind die Wassermoleküle so angeordnet, dass sie ein Minimum an Platz einnehmen. Unterhalb von 4°C orientieren sich die Moleküle in Richtung einer Kristallstruktur und nehmen wieder mehr Platz ein. Oberhalb von 4 °C tritt der Effekt auf, dass sich die Molekühle schneller bewegen und mehr Platz einnehmen.

Was hat diese Dichteanomalie für eine Bedeutung auf unserer Erde? In nördlichen Breitengraden frieren Gewässer zu. Da das Wasser bei 4 °C ein Dichtemaximum hat, sinkt es automatisch nach Unten. Das hat zur Folge, dass die Gewässer nicht durchfrieren und am Boden ein Bereich mit flüssigem Wasser verbleibt. Somit können die Wasserbewohner den Winter problemlos unter dem Eispanzer überstehen. Im Sommer ist es ähnlich, die oberen Wasserschichten haben Temperaturen von sagen wir 20°C, der Boden des Sees wird trotzdem eine Temperatur von 4°C haben.

Wenn man über die Eigenschaften des Wassers nachdenkt, fällt man sofort im Freibad der Sprung vom 10 Meter Turm ein. Oft wird in diesen Zusammenhang geschrieben, das Wasser ist hart wie Beton. Ist das so und wenn ja warum? Ist das bei anderen, ähnlichen Flüssigkeiten wie zum Bsp. Methanol (OCH₄) auch so? Ihr ahnt es sicher schon, wir kommen auf die Wasserstoffbrückenbindungen zu sprechen. Die gegenseitige Vernetzung sorgt innerhalb des Wasserverbundes für Kräfte, die dem Eintauchen des Springers verdrängt werden muss. Diese Kraft, die die Lösung zusammen hält, wird als Kohäsion bezeichnet. Die Kohäsion ist Bindungskraft zwischen Atomen, sowie zwischen Molekülen innerhalb eines Stoffes. Eng verwandt mit dem Begriff Kohäsion ist der der Oberflächenspannung, die beim reinen Wasser sehr hoch ist. Hauptwesen der Oberflächenspannung von polaren Lösungsmitteln ist es, in makroskopischer Hinsicht die eigene Oberfläche möglichst gering zu halten: Das führt dazu, das das Wasser diese typische Tropfenform bildet. Weiterhin sorgt die große Oberflächenspannung dazu bei, das Insekten auf dem Wasser stehen können (siehe Abbildung 6). Und um noch einmal auf das Methanol zu sprechen zu kommen, diese Flüssigkeit hat wesentlich geringere intermolekulare Wechselwirkungen und der Aufprall dürfte deutlich angenehmer sein im Vergleich zu Wasser. Hauptnachteil des Methanols ist, dass es sehr giftig ist und man das Eintauchen wahrscheinlich nicht überlebt.

Abb. 6: Insekt, welches aufgrund der großen Oberflächenspannung des Wassers auf dem selbigen stehen kann. Um welches Insekt es sich handelt, ist mir unbekannt. Abbildung /6/ entnommen.

Nun noch ein kleines wissenschaftliches Schmankerl. Jeder Schüler lernt in der achten Klasse die Formel für Wasser: H₂O. Das heißt, ein Wassermolekül besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatomen. So weit so gut. Doch im Jahr 2004 veröffentlichte ein Berliner Forscherteam, das im Wassermolekül ein halbes Wasserstoffatom verschwindet. Die neue vorgeschlagene Formel lautet nun: H_1,5O. Grund dafür ist ein Quanteneffekt, der als Verschränkung bezeichnet wird. Er tritt auch bei anderen Verbindungen auf. Vom Aromaten Benzol bleibt vom C₆H₆ gerade einmal C₆H_4,5 übrig. Die Quantenverschränkung ist ein Phänomen, bei dem sich zwei oder mehr Teilchen zu einem neuen Quantenobjekt zusammen schließen, das erhalten bleibt, selbst wenn die Teilchen sich beliebig weit voneinander entfernen. Der nicht gerade sehr anschauliche Begriff der Verschränkung wurde von dem Physiker Schrödinger geprägt.

Bei weiter Interesse seien die Artikel /7, 8/ empfohlen, für ein weiterführendes Interesse an Quantenphänomenen wird auf /8/ verwiesen.

/1/ Berliner Institut für Bevölkerung und Entwicklung http://www.berlin-institut.org/online-handbuchdemografie/umwelt/wasser.html

/2/ http://www.welt.de/politik/ausland/article108412963/Der-Krieg-der-Zukunft-geht-ums-Wasser.html

/3/ http://www.spiegel.de/politik/ausland/us-geheimdienstbericht-prognostiziert-aera-der-kriege-um-wasser-a-823207.html

/4/ http://www.bpb.de/mediathek/73427/der-krieg-um-wasser-findet-nicht-statt

/5/ http://www.zdf.de/ZDFmediathek/beitrag/video/1698974/Kampf-ums-Wasser#/beitrag/video/1698974/Kampf-ums-Wasser

/6/ http://www.planet-schule.de/warum_chemie/seife/themenseiten/t4/s2.html

/7/ http://www.faz.net/aktuell/wissen/physik-chemie/chemie-ein-atomkern-verschwindet-1156494.html

/8/ http://www.quantenwelt.de/quantenmechanik/vielteilchen/verschraenkung.html

/9/ Silvia Arroyo Camejo, Skurrile Quantenwelt, Springer Verlag Heidelberg, 2006

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