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Tutorial MenueChemische GrundlagenLerneinheit 1 von 6

Wasser

Wasser - Eis und Flüssigkeit

Wasser ist in vielen Hinsichten eine besondere Verbindung. In einer Reihe von Eigenschaften hebt sich das Wasser nicht nur von den analogen Wasserstoff-Verbindungen ab (Nichtmetallhydriden), sondern auch von den meisten anderen Flüssigkeiten.

Eis

Im Eis ist das Wasser-Molekül räumlich fixiert und bildet die höchstmögliche Anzahl von vier H-Brücken aus (Bild rechts). Dadurch entsteht ein regelmäßiges Kristallgitter. Bei Normaldruck liegt Eis in einer stabilen hexagonalen Modifikation vor. Dabei sind die O-Atome nahezu tetraedrisch von vier weiteren Nachbarn über Wasserstoff-Brücken koordiniert. Auch andere Modifikationen wie z.B. die kubische sind bekannt.

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Abb.1
Hexagonale Modifikation von Eis
Abb.2
Kubische Modifikation von Eis
Abb.3

Flüssiges Wasser

Beim Übergang zwischen Eis und flüssigem Wasser brechen je nach Temperatur bis zu 15 % der Wasserstoff-Brücken auf. Aus einem festen Kristall entsteht ein fluktuierendes Netzwerk, in dem jedes Wasser-Molekül nicht mehr von exakt vier, sondern von vier oder weniger Wasser-Molekülen umgeben ist.

Dieses Netzwerk ist nicht gleichmäßig aufgebaut, es liegen darin verschieden große Ringe - Cluster - aus über Wasserstoff-Brücken verbundenen Molekülen vor. Bei Raumtemperatur liegt die kinetische Energie der Molekularbewegung in einer ähnlichen Größenordnung wie die Bindungsenergie der H-Brücken. Daher führt die Bewegung der einzelnen Wasser-Moleküle innerhalb von Nanosekunden zu einem konstanten Brechen und Neuorganisieren des Clustersystems.

Der Höhepunkt der Clusterbildung liegt bei +4 °C. Bei Raumtemperatur treten vor allem drei- bis achtgliedrige Cluster auf. Es werden aber auch größere Cluster diskutiert, so z.B. aus 280 Molekülen bestehende ikosaedrische Netzwerke oder eis- und clathratähnliche Wasser-Cluster aus 12-26 Molekülen. Je höher die Temperatur, umso größer ist die Molekülbewegung, so dass sich bei höheren Temperaturen überwiegend kleinere Cluster bilden. Aber auch in der Gasphase wurde die Existenz kleiner Cluster beschreiben. Erst bei Temperaturen über 1000 °C kommen ausschließlich isolierte Wasser-Moleküle vor.

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Abb.4
Abb.5

Beispiele für Cluster aus 5 beziehungsweise 280 Wasser-Molekülen. Alle Cluster aus 3 bis 21 Molekülen und auch größere wurden theoretisch berechnet. Aufgrund der schnellen Fluktuation der Wasserstoff-Brücken konnte bis jetzt kein Clustermolekül isoliert werden. Die Clusterstrukturen wurden quantenmechanisch aus spektroskopischen Daten errechnet.

Wasser-Modelle
Aus quantenmechanischen Berechnungen und den Ergebnissen von Untersuchungen mittels Röntgen-, Neutronenbeugung, IR- und Raman-Spektroskopie wurden zwei Wasser-Modelle berechnet und in der Literatur publiziert:
  1. Das Mischungsmodell: Das Wasser wird als Netzwerk aus intakten und gebrochenen Wasserstoff-Brücken betrachtet.
  2. Das Kontinuummodell: Wasser liegt als ein vollständig gebundenes Netzwerk vor, wobei einige Wasserstoff-Brücken in unterschiedlicher Weise von ihrer optimalen Form abweichen.

Externe Links zu Wasser-Clustern

Die Kristallstrukturen von Eis sowie die PDB-Dateien der Wasser-Cluster dankend entnommen aus: http://www.lsbu.ac.uk/water/index.html

Alle Cluster von 2 bis 21 Wasser-Molekülen finden sich bei: http://www-wales.ch.cam.ac.uk/~wales/CCD/TIP4P-water.html

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