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Sauerstoff

Wasser

Abb.1

Wasser ist in vielerlei Hinsicht ein außergewöhnliches Molekül, das eine ganze Reihe von Anomalien aufweist, aufgrund derer das Leben auf der Erde überhaupt erst möglich ist.

Der Grund hierfür versteckt sich in der Struktur des Wasser-Moleküls. Das Wasser-Molekül ist gewinkelt (104,5 °) mit zwei polaren Elektronenpaar-Bindungen zu den Wasserstoff-Atomen und zwei nichtbindenden Elektronenpaaren am Sauerstoff-Atom. Daraus resultiert ein relativ großes Dipolmoment von 1,85 D.

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Abb.2
Abb.3
Abb.4
Abb.5
Wasserstoff-Brücke zwischen zwei Wasser-Molekülen

Jedes Wasser-Molekül ist in der Lage, vier Wasserstoff-Brückenbindungen zu Nachbar-Molekülen auszubilden. Dadurch entsteht ein 3-dimensionales Netzwerk, welches dem Wasser, verglichen mit anderen Wasserstoff-Verbindungen einen anomal hohen Schmelz- und Siedepunkt verleit.

Beim Schmelzen von Eis bricht das Netzwerk aus H-Brücken teilweise auf und die Moleküle können sich enger zusammenlagern. Die Dichte steigt von 0,9168 auf 0,9999 gcm-3, das sind 9 % Dichteänderung. Das Dichtemaximum von Wasser liegt bei 4 °C. Diese Anomalie ist in der Natur von großer Bedeutung: Eis schwimmt auf Wasser und das vollständige Gefrieren von Gewässern wird verhindert. Nur so können Tiere und Pflanzen im Winter unter Wasser überleben. Die Volumenausdehnung beim Gefrieren fördert durch die auftretende Sprengwirkung die Verwitterung von Gesteinen. Gletscherbewegungen sind nur dadurch möglich, dass Eis sich unter Druck verflüssigt.

Abb.6

Die Dichteanomalie dieser Grafik bezieht sich auf 1 g Wasser.

Abb.7
Abb.8

Wasser besitzt die höchste Wärmekapazität aller Flüssigkeiten (75,366 Jmol-1K entsprechend 4,18 kJkg-1K). Durch die hohe Wärmekapazität zusammen mit einer sehr geringen Wärmeleitfähigkeit ist die Klimaregulierung in den Ozeanen möglich. Unter anderen Bedingungen würden die Meerestemperaturen zwischen den Jahreszeiten viel stärker schwanken und so ein Leben im Meer unmöglich machen.

Ebenso herausragend ist die hohe Verdampfungsenthalpie (40,7 kJmol-1 ), gekoppelt mit einer hohen Schmelzwärme (6 kJmol-1 ), die für die Temperaturregulierung von Lebewesen außerordentlich wichtig ist, da sie das Schwitzen ermöglicht.

Die große Oberflächenspannung des Wassers ist für die Tropfenbildung und somit für Regen verantwortlich.

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