Eigenschaften des Wassers
Dieser Artikel beschäftigt sich nur mit den Eigenschaften des Reinstoffes Wasser. Für andere Informationen über das Wasser siehe den Artikel Wasser.
Physikalische Eigenschaften des Wassers
Die physikalischen Eigenschaften des Wassers sind alle ziemlich stark von der Temperatur und dem Druck abhängig.Eine starke Veränderung der physikalischen Eigenschaften des Wassers tritt auch ein, wenn sich gelöste Stoffe im Wasser befinden.Allgemein kann gesagt werden das zum Beispiel die Oberflächenspannung und Viskosität des Wassers mit zunehmender Temperatur abnehmen.Mehrere Eigenschafen des Wassers sind besonders und auf die Cluster (Physik)bildung der Wasserstoffbrückenbindungen zurückzuführen und anders als man erwarten würde.Dazu zählen der Schmelz- und Siedepunkt des Wasser und die Dichteanomalie
Aggregatzustand des Wassers
Unter Normalbedingungen ist Wasser eine Flüssigkeit. Allerdings kennen wir Wasser als einzigsten Stoff aus der Natur in allen drei Aggregatzuständen. Das folgende Phasendiagramm zeigt, wie der Aggregatzustand des Wassers von der Temperatur abhängig ist. In dem Diagramm ist zu beachten der Tripelpunkt, die kritische Temperatur und Druck.
Dichteanomalie des Wassers
Wasser hat seine größte Dichte bei 4°C, bei dieser Temperatur wiegt es 1 g/cm³. Das bedeutet, dass festes Wasser (Eis) leichter als flüssiges Wasser ist. Bei vielen Stoffen hat der Stoff im festen Zustand die größte Dichte, deswegen wird von der Dichteanomalie des Wassers gesprochen.
Aufgrund dieser Dichteanomalie ergibt sich eine Überlebensmöglichkeit für Tiere in Gewässer bei niedrigen Temperaturen; die Gewässer weisen Wasserschichtungen auf, diese Schichten haben jeweils ihre Temperatur und die davon abhängige Dichte. Die 4°C Schicht ist am schwersten und liegt damit am Grund des Gewässers und die Eisschicht als leichteste ganz oben. Das Gewässer friert also von oben nach unten zu, so bleibt meist am Boden eine nicht zugefrorene Schicht, in der die Fische überleben können.
Löslichkeit in Wasser
Wasser ist ein gutes Lösungsmittel für viele Stoffe, es ist hydrophil. Dies hat seine Vor- und Nachteile. So kann Wasser zwar Nährstoffe und anderes transportieren aber genau so gut Giftstoffe, welches ein großes Problem bei der Versorgung der Menschheit mit sauberem Wasser darstellt. Wegen der guten Löslichkeit im Wasser wird Wasser von allen bekannten Lebewesen als Transportmittel für bestimmte Stoffe in deren System benutzt.
Die Löslichkeit in Wasser ist oft stark von der Temperatur abhängig, dabei verhalten sich Feststoffe und Gase unterschiedlich. Gase lösen sich bei zunehmender Temperatur schlechter in Wasser, während sich Feststoffe bei zunehmender Temperatur meist immer besser in Wasser lösen lassen (Ausnahme Lithiumsulfat;siehe linke Graphik). Allgemein gilt, dass ein Stoff sich umso besser in Wasser lösen lässt, desto mehr polare Gruppen in diesem Stoff vorhanden sind.
Bei der Auflösung von Stoffen in Wasser laufen der endotherme Gitterabbau und die exotherme Hydration ab, was Wärmemischungen (Schwefelsäure in Wasser) und Kältemischungen (Salze in Wasser) hervorrufen kann.
Aufgrund der bei höheren Temperaturen schlechten Löslichkeit von Sauerstoff in Wasser, kann es im Sommer zu Sauerstoffengpässen bei Wasserlebewesen kommen; auch darf deswegen kein warmes Wasser in Flüsse eingeleitet werden.
Selbst löst Wasser sich zum Beispiel in der Luft, wobei die Löslichkeit sehr von der Temperatur abhängig ist, was auch für den Regen verantwortlich ist (siehe Luftfeuchtigkeit).
Brechung von Licht
Tritt Licht von der Luft ins Wasser ein, so wird es deutlich stärker gebrochen als zum Beispielbei Glas oder Diamanten. Der Grenzwinkel des Wassers liegt hierbei 49 °.
Diese Lichtbrechung führt beim Menschen zu optischen Täuschungen, da man ein Objekt unter Wasser nun an einem anderen Ort sieht, als an dem es tatsächlich ist. Wasser hat einen Brechungsindex von 1,33.
Nur Teile des Lichts werden vom Wasser durchgelassen und gebrochen, die anderen Teile des Lichts werden vom Wasser reflektiert und absorbiert.
| Dampfdruck in mbar | Siedepunkt in °C |
| 1066 | 101,4 |
| 1040 | 100,7 |
| 1013 | 100,0 |
| 960 | 98,5 |
| 933 | 97,7 |
| 866 | 95,7 |
| 800 | 93,6 |
| 667 | 88,7 |
| 533 | 82,9 |
| 400 | 75,8 |
| 267 | 66,3 |
| 133 | 51,5 |
| 67 | 37,1 |
| 6 | 0 |
Schmelzpunkt und Siedepunkt des Wassers haben eine so große Bedeutung, dass diese als Fixpunkte der Celsiusskala festgelegt wurden.
Wasser hat einen relativ hohen Siedepunkt (das gleich schwere Methan siedet bei -164 °C). Wenn Wasser den erwarteten Gesetzmäßigkeiten entspräche, läge es bei Raumtemperatur als Gas vor. Verantwortlich für die meisten anomalen Eigenschaften des Wassers sind die intermolekular wirkenden Wasserstoffbrückenbindungen, die sich aus dem Dipolmoment des Wassermoleküls erklären lassen. Links ist eine Tabelle des Siedepunktes in Abhängigkeit zum Dampfdruck.
Elektrische Leitfähigkeit
Wasser ist, anders als von vielen angenommen, ein Nichtleiter, solange im Wasser keinerlei Stoffe gelöst sind. Es ist mit ca. 5,5 M Ohm m jedoch ein eher schlechter elektrischer Isolator , da durch Eigendissoziation eine geringe Menge der Wassermoleküle (etwa jedes 10Millonste) als Ionen vorliegen. Da im Wasser viele Stoffe dissozieren, kann es oft sein, dass dabei eine Menge Ladungsträger entsteht und Wasser den Strom besser leitet.
Beispiel: Natriumchlorid dissoziert in Wasser zu positiv geladenen Natriumionen und negativ geladenen Chlorionen, im Wasser sind jetzt jede Menge Ladungsträger vorhanden und es leitet den Strom gut.
Oberflächenspannung
Wasser weist eine Oberflächenspannung auf, die Wassermoleküle ziehen sich an der Oberfläche stark an. Die Oberflächenspannung beträgt etwa 73 mN/m bei 20°C und nimmt bei zunehmender Temperatur ab.
Aufgrund dieser Oberflächenspannung können einige Tiere wie zum Beispiel der Wasserläufer sich auf dem Wasser bewegen, als wenn es ein Feststoff wäre.
Viskosität
Die Viskosität des Wassers beträgt bei 20°C 1,0 mPa s, Wasser hat eine höher Viskosität als Petroleum(0,65 mPa s bei 20°C) aber eine niedrigere als zum Beispiel Quecksilber (1,5 mPa s bei 20°C).
Geruch, Farbe und Geschmack
Wasser ist im reinen Zustand geschmack- und geruchslos, meist auch farblos und transparent aber in dicken Schichten blaugrün.
Sind im Wasser Stoffe gelöst, kann es zu einer deutlichen Veränderung dieser Eigenschaften kommen.
Spezifische Wärmekapazität des Wassers
Wasser hat mit 4,18 kJ/(kg K) (bei 20 °C) eine im Vergleich zu anderen Stoffen ziemlich hohe Wärmekapazität. Das bedeutet, dass Wasser zwar Wärme langsamer speichert aber dafür auch langsamer abgibt als andere Stoffe.
Zum Vergleich weist Luft eine Wärmekapazität von 0,38 kJ/(kg K) (bei 20°C) und Kupfer sogar nur eine von 0,38 kJ/(kg K) (bei 20°C) auf.
Diese Eigenschaft beeinflusst stark das Klima an Meeresregionen, da diese im Sommer vom Wasser abgekühlt aber im Winter von diesem gewärmt werden.
Schmelz- und Verdampfungswärme
Will man 0°C kaltes Eis zu 0°C kaltem Wasser hinüberführen, so muss man dafür eine Energie von 335 kJ/kg aufbringen, dies bezeichnet man als Schmelzwärme.
Will man 100°C warmes Wasser zu 100°C warmen Dampf hinüberführen, so muss man 2.260 kJ/kg aufbringen. Weiterhin muss man 2.460 kJ/kg aufbringen, um 25°C warmes Wasser zu 100°C warmen Dampf hinüberzuführen. Um 0°C kaltes Wasser zu 100°C warmen Dampf hinüberzuführen, benötigt man 2.500 kJ/kg. Diese Werte bezeichnet man als Verdampfungswärme. Die Verdampfungswärme des Wassers liegt wesentlich höher als die Verdampfungswärme von anderen Flüssigkeiten.
Die hohe Verdampfungswärme wird beim Schwitzen ausgenutzt, bei dem der Körper vor Überhitzung geschützt wird.
Thermodynamische Eigenschaften des Wassers
| Thermodynamik | |
|---|---|
| ΔfH0g | -241.83 kJ/mol kJ/mol |
| ΔfH0l | -285.83 kJ/mol |
| ΔfH0s | -291.8 kJ/mol |
| S0g, 1 bar | 188.84 J/mol·K |
| S0l, 1 bar | 69.95 J/mol·K |
| S0s | 41 J/mol·K |
|
SI-Einheiten wurden wo möglich verwendet. Wenn | |
Die Therodyamischen Eigenschaften des Wasser können sie aus der Tabell rechts entnehmen.
Chemische Eigenschaften des Wasser
Die chemischen Eigenschaften des Wassers sind nicht so außergewöhnlich wie die physikalischen Eigenschaften.
Wasser hat die Molmasse von 18.01528 amu
Reaktivität des Wassers
Wasser ist amphoter, reagiert also mit Anhydriden zu Säuren oder Basen.Beispiele
Wasser reagiert mit unedlen Metallen unter Wasserstoffbildung zu Metalloxiden.
PH-Wert des Wassers
Destilliertes Wasser hat einen PH-Wert von 7, ist also neutral.In der Praxis hat Wasser aber einen PH-Wert zwischen 5 und 7.