H₂O: Ein ganz besonderer Stoff

Wie kam das Wasser auf die Erde?

Wasser hat sich vermutlich beim Abkühlungsprozess der noch jungen Erde gebildet. Danach gelangte es bei der Entgasung der glutflüssigen Magmen vor etwa 4 Mrd. Jahren als Wasserdampf in die Uratmosphäre der Erde und gestaltete diese um.

Abkühlung führte zu Niederschlägen, das Wasser sammelte sich in Hohlformen auf der Erde. Die stetige Abkühlung führte dazu, dass der Wasserdampf in der Atmosphäre zu Wasser kondensierte. Als Regen fiel es über Millionen von Jahren auf die Erde herab. Es gibt eine, allerdings umstrittene Theorie, die besagt, dass ein Großteil des Wassers von Kometen stammt, die Eis mit sich führten und in der Frühzeit der Erde einschlugen. Das Eis verdampfte und füllte die Uratmosphäre mit Wasserdampf, der sich schließlich verdichtete, abregnete und so auf die Erdoberfläche gelangte.

Was macht Wasser so flexibel?

Das Wassermolekül besteht aus zwei positiv geladenen Wasserstoffatomen (Wasserstoff hat das chemische Zeichen H) und einem negativ geladenen Sauerstoffatom (chemisches Zeichen: O). Durch die ungleichmäßige (asymmetrische) Verteilung der elektrischen Ladungsdichte sind Wassermoleküle ziemlich kräftige Dipole, die sich untereinander stark anziehen und über Wasserstoffbrückenbindungen zusammenhängende Molekülansammlungen bilden. Genauso schnell – innerhalb von Pikosekunden – wie die Brückenbindungen sich bilden, werden bestehende wieder gelöst, so dass keine starre Ordnung entsteht. Im Durchschnitt bleibt die Anzahl der Verbindungen bei gleich bleibender Temperatur jedoch konstant.

Was hat Wasser allen anderen Stoffen voraus?

Nahezu alle bekannten Stoffe können in drei möglichen Erscheinungsformen, den sog. Aggregatzuständen, existieren: fest, flüssig oder gasförmig. Aber Wasser ist die einzige Substanz, die in der Natur in allen drei Aggregatzuständen vorkommt: Oberhalb von 0 °C, dem Gefrierpunkt, geht es vom festen Zustand (Eis) in den flüssigen Zustand über und bei 100 °C, dem Siedepunkt, vom flüssigen Zustand in den gasförmigen Zustand (Dampf). Wasser kann niemals eine Temperatur erreichen, die höher liegt als 100 °C. Durch den Wechsel der Zustandsform ändern sich auch die Eigenschaften des Wassers, die inneren Strukturen jedoch nicht.

Wieso löst sich Wasser in Luft auf?

Wird Wasser erhitzt, nehmen durch die zugeführte Wärmeenergie die Schwingungen der Moleküle zu, die Brückenbindungen zwischen den Sauerstoff- und Wasserstoffteilchen werden aufgebrochen. Die Zahl der miteinander verbundenen Moleküle nimmt also ab und die »schnellen« unter ihnen treten aus dem Verband aus. Beim Wasserdampf gibt es infolge der großen Molekülgeschwindigkeiten keine Brückenbindungen mehr, die Moleküle bewegen sich völlig frei. Da sich die Wasserteilchen jedoch stark anziehen, ist ein hoher Energieaufwand nötig, um das flüssige Nass in Wasserdampf überzuleiten. Man spricht daher von der hohen Wärmekapazität des Wassers.

Wie reguliert Wasser unser Klima?

Aufgrund der hohen Wärmekapazität erwärmen sich die großen Wassermassen auf der Erde viel langsamer als die Landmassen. Andererseits kann Wasser über einen längeren Zeitraum Wärme speichern; etwa zehnmal soviel wie trockene Luft oder der Erdboden. Aufgrund dieser Eigenschaft verändert sich die Temperatur des Wassers bei Schwankungen der Lufttemperatur nur sehr langsam. Die Folge sind die relativ ausgeglichenen Winter- und Sommertemperaturen im Bereich großer Wasserflächen wie der Meere.

Warum schwimmt Eis?

Weil es leichter ist als Wasser. Normalerweise dehnen sich Stoffe mit steigender Temperatur aus, nicht so beim Wasser. Dieses erreicht unter normalem Druck sein Dichtemaximum (1g/cm³) bei 4 °C. Darunter nehmen die Dichte und das spezifische Gewicht ab. Man nennt dieses Verhalten auch Anomalie des Wassers.

Beim Gefrieren schließen sich die Wassermoleküle zu symmetrischen Sechsecken (Hexagonen) zusammen, die ein weitmaschiges, mit zahlreichen Hohlräumen durchsetztes, stabiles Kristallgitter bilden, das mehr Platz einnimmt als die Einzelmoleküle. Das Eis dehnt sich aus, vergrößert also sein Volumen, und zwar um etwa 9 % im Vergleich zum Wasser. Gefrorenes H₂O ist also leichter als flüssiges; es schwimmt deshalb auf dem Wasser.

Übrigens: Diese sechseckige Grundform spiegelt sich besonders anschaulich in den sternförmigen Kristallen der Schneeflocken wider.

Wie kalt ist es in einem tiefen See?

Dort herrschen nicht gerade Badetemperaturen, aber wirklich kalt kann es nicht werden. Das hängt mit der Anomalie des Wassers zusammen. Infolge dieser Eigenschaft gefriert in stehenden Gewässern im Winter das Wasser auch zunächst an der Oberfläche; die Temperatur nimmt mit der Wassertiefe zu und beträgt in den unteren Bereichen 4 °C.

Warum kühlen Eiswürfel ein Getränk?

Eis ist gefrorenes Wasser, das sich unter Normaldruck bei 0 °C (Gefrierpunkt) bildet. Wenn man einen Eiswürfel in ein Getränk gibt, scheint das Eis seine Umgebung zu kühlen. Doch eigentlich ist das Gegenteil der Fall, denn bei einer Temperatur über 0 °C taut das Eis. Dabei verbraucht es Energie und die entzieht es in Form von Wärme der Umgebung, in diesem Fall der umgebenden Flüssigkeit. Die Flüssigkeit wird dadurch immer kälter und der Eiswürfel immer kleiner, bis er vollständig in den flüssigen Aggregatzustand übergegangen ist. Die Wärmeaufnahme im Eiswürfel geschieht jedoch nicht gleichmäßig; innerhalb des Würfels entstehen Spannungen, die man als Knacken wahrnehmen kann.

Kann man über das Wasser laufen?

Menschen und schwere Tiere können das nicht, aber Insekten, beispielsweise den wasserbewohnenden Wanzen, ist dies durchaus möglich.

Der Grund ist die Anziehungskraft der einzelnen Wassermoleküle. Im Innern des Wassers heben sich diese Kräfte gegenseitig auf, an der Oberfläche sind sie nach innen gerichtet und bestrebt, diese Schicht möglichst klein zu halten. Deshalb wirkt die Oberfläche des Wassers im Grenzbereich zur Luft wie eine straffe elastische Haut. Auf der Oberflächenspannung beruht auch die Fähigkeit des Wassers, Tropfen zu bilden.

Ist Wasser von Natur aus »sauber«?

Aufgrund seiner hohen Lösungsfähigkeit kommt Wasser in der Natur nie in seiner reinen Form vor, sondern enthält stets gelöste Substanzen in geringer Menge und Spuren, vor allem Salze. Süßwasser enthält beispielsweise bis zu 1 g Salz pro Liter. Von besonderer Bedeutung für Lebewesen sind die in Wasser gelösten Gase Sauerstoff und Kohlendioxid. Löslichkeit bedeutet aber nicht, dass sich die Stoffe mit dem Wasser verbinden oder mit ihm reagieren. Vielmehr bedeutet es, dass sich die Gasmoleküle zwischen die Wassermoleküle schieben.