Eigenschaften des Wassers
Dieser Artikel beschäftigt sich nur mit den Eigenschaften des Stoffes Wassers ohne jedigliche gelöste Stoffe. Andere Informationen über Wasser finden sich im Artikel Wasser.
Obwohl Wasser uns ganz alltäglich und normal erscheint, ist, wenn man sich die Eigenschaften des Wasser genauer anschaut, Wasser alles andere als normal und wesentlich anders als man es, im Bezug auf andere Stoffe, eigentlich erwarten würde.
Viele Eigenschaften des Wassers lassen diesen Stoff besonders lebensfreundlich erscheinen, können aber auch besonders lebensfeindlich sein wie zum Beispiel die Löslichkeit, da neben erwünschten sich auch häufig unerwünschte Stoffe im Wasser lösen, auch die hohe Brechung von sichtbaren Licht dürfte dem Menschen nicht zum Beispiel beim Jagen nicht hilfreich gewesen sein.
Bis heute werfen einige Eigenschaften des Wassers Forschern große Rätsel auf, obwohl die Eigenschaften des Wassers schon längere Zeit Objekt von Forschungen waren.
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 im Wasser Stoffe gelöst sind. 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 Bildung der Wasserstoffbrückenbindungen zurückzuführen und anders als man erwarten würde. Dazu zählen unter anderem der hohe Schmelz- und Siedepunkt des Wasser und die Dichteanomalie.
Aggregatzustände des Wassers
Unter Normalbedingungen ist Wasser eine Flüssigkeit. Allerdings ist Wasser der einzigsten Stoff den wir aus der Natur in allen drei Aggregatzuständen. Das folgende Phasendiagramm zeigt, wie der Aggregatzustand des Wassers von der Temperatur abhängig ist. In dem Diagramm sind der Tripelpunkt, die kritische Temperatur und der kritischer Druck zu beachten.
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. Viele Stoffe haben im festen Zustand die größte Dichte, deswegen wird von der Dichteanomalie des Wassers gesprochen.
Aufgrund dieser Dichteanomalie ergibt sich eine Überlebensmöglichkeit für Lebewesen 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, 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.
Die Erklärung für die Dichteanomalie beruht einmal mehr auf den Wasserstoffbrückenbindungen des Wassers,der Höhepunkt bei 4°C liegt. Bei höheren Temperaturen bilden sich nur noch kleinere Wasserstoffbrückenbindungen und bei gasförmigen Wasser sogar gar keine mehr. Durch die Wasserstoffbrückenbindungen enstehen im Eiskristall viele Hohlräume in der Kristallstrucktur, wodurch Eis eine geringere Dichte als flüssiges Wasser hat.
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 giftige Stoffe, 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).
Lichtbrechung, Lichtabsorption und Lichtreflexion
Tritt Licht von der Luft ins Wasser ein, so wird es deutlich stärker gebrochen als zum Beispiel bei 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.
Große Teile des Lichts werden vom Wasser durchgelassen und gebrochen, die anderen Teile des Lichts werden vom Wasser reflektiert und absorbiert.
Da Wasser viel sichtbares Licht durchlässt und bricht, ermöglicht dies auch das Leben von Lebewesen im Wasser, die Licht zum Leben benötigen wie zum Beispiel Algen
Schmelzpunkt und Siedepunkt
| 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 |
Der Schmelz- und Siedepunkt des Wassers haben für die Menschheit 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 oft angenommen, ein Nichtleiter, allerdings nur 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
| Oberflächenspannung | |
|---|---|
| Temperatur in °C | Oberflächenspannung
in mN/m |
| 0 | 75,6 |
| 10 | 74,2 |
| 20 | 72,8 |
| 30 | 71,2 |
| 50 | 67,9 |
| 100 | 58,9 |
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
| Viskosität | |
|---|---|
| Temperatur in °C | Viskosität in mPa/s |
| 0 | 1,78 |
| 10 | 1,31 |
| 20 | 1,00 |
| 30 | 0,80 |
| 50 | 0,55 |
| 100 | 0,28 |
Die Viskosität des Wassers beträgt bei 20 °C 1,0 mPa s, Wasser hat eine höhere Viskosität als Petroleum (0,65 mPa s bei 20 °C) aber eine niedrigere als zum Beispiel Quecksilber (1,5 mPa s bei 20 °C).Die Viskosität des Wasser nimmt mit zunehmender Temperatur ab.Werte zur Viskosität des Wassers kannst du aus der linken Tabelle entnehmen.
Geruch, Farbe und Geschmack
Wasser ist im reinen Zustand geschmack- und geruchslos. Wasser ist anders als angenommen farblos und transparent, die blaugrüne Färbung von Wasser ensteht nur aufgrund vom gelösten Sauerstoff in dem Wasser.
Auch bei anderen gelösten Stoffen kann es zu einer deutlichen Veränderung dieser Eigenschaften kommen.
Spezifische Wärmekapazität des Wassers
Wasser hat mit 4167 J/(kg K) eine im Vergleich zu anderen Stoffen ziemlich hohe spezifische Wärmekapazität. Das bedeutet, dass Wasser zwar Wärme langsamer speichert aber dafür auch langsamer abgibt als andere Stoffe.
Zum Vergleich weist Blei eine Wärmekapazität von 129 J/(kg K) und Kupfer sogar nur eine von 380 J/(kg K) 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 in 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 in 100 °C warmen Dampf hinüberzuführen. Um 0 °C kaltes Wasser in 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 g/Mol und dasselbe relative Atomgewicht. Wasser ist bei vielen Reaktionen ein Katalysator, das heißt ohne die Anwesenheit von Wasser würde eine Reaktion wesentlich langsamer oder mit höheren Energieaufwand ablaufen.
Reaktivität des Wassers
Wasser ist amphoter, ist also ein Stoff, der - je nach Milieu - sowohl als Säure als auch als Base wirken kann.
Wasser reagiert mit Anhydriden zu Säuren oder Basen.Beispiele:
Schwefeltrioxid
(Säureanhydrid) reagiert mit Wasser zu Schwefelsäure(Säure)
Natriumoxid(Basenanhydrid) reagiert mit Wasser zu Natriumhydroxid(Base)
Wasser reagiert mit unedlen Metallen unter Wasserstoffbildung zu Metalloxiden, diese Metalloxide sind aber Basenahydride und lösen sich meist gleich wieder in Wasser zu Basen wie eben beschrieben wurde.Beispiel:
Natrium reagiert mit Wasser zu Natriumoxid und Wasserstoff
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.
Andere Eigenschaften des Wasser
Nach einer (umstrittenen) These senden die Wasserstoffbrückenbindungen des Wassers Energiesignale aus, welche von der Eigenbewegung der einzelnen Moleküle abhängig sind. Diese Energiesignale können aufgefangen werden. Die Wasserstoffbrückenbindungen bilden kristallähnliche Strukturen.
Aufgrund dieser Grundlagen entwickelte sich die These, dass das Wasser Informationen in Form dieser Energiesignale speichern und diese an andere Organismen durch abgeben dieser Energiesignale übertragen könnte. Die gespeicherten Informationen sollen durch zerwirbeln oder erhitzen des Wassers löschbar sein.
Als Beweis für diese These wird angegeben, dass homöopathische Stoffe sehr stark verdünnt werden und das Wasser nach der Verdünnung noch immer die gleichen Eigenschaften wie vor der Verdünnung besässen.
Erklärungen zu den Eigenschaften des Wassers
Durch die Polarität des Wassermoleküls, die aus der höheren Elektronegativität des Sauerstoff und der gewinktelten Bindung des Moleküls resultiert, kommt es zur Klusterbildung, dass heißt mehrere Wasserstoffmoleküle sind in der flüssigen Phase durch Wasserstoffbrückenbindungen verkettet. Dies wiederum ist Ursache für einige Anormalitäten des Wassers.Siehe hierzu den Hauptartikel:Wassermolekül.
Obwohl Wasser seit langer Zeit Objekt der Forschung ist, ist es bis heute den Forschern nicht gelungen alle Eigenschaften des Wassers vollständig zu erklären.