Wasser
Dieser Artikel befasst sich mit dem "Stoff" Wasser. Andere Bedeutungen unter Wasser (Begriffsklärung)
Wasser (auch Wasserstoffoxid oder Hydrogeniumoxid) ist eine chemische Verbindung (Molekül) aus Sauerstoff und Wasserstoff (chemische Formel: H20). Die Bezeichnung Wasser wird besonders für den flüssigen Aggregatzustand verwendet, im festen, also gefrorenen Zustand wird es Eis genannt, im gasförmigen Zustand Wasserdampf oder einfach nur Dampf.
Wasser ist wegen seiner besonderen chemischen und physikalischen Eigenschaften (vor allem des Dipolmoments, der Wasserstoffbrückenbindung und der Dichteanomalie) essentiell und Entstehungsort des Lebens; in Organismen und in unbelebten Bestandteilen der Geosphäre spielt es als vorherrschendes Medium bei allen Stoffwechselvorgängen bzw. Elementarprozessen die wichtigste Rolle (zum Beispiel Photosynthese, Klima). Die Erdoberfläche ist zu ca. 70 % von Wasser bedeckt (Ozeane), aber nur 0,3 % sind als Trinkwasser zu erschließen. Nachgewiesen wurde Wasser in flüssiger Form bislang nur auf der Erde.
1 l Wasser wiegt ungefähr 1 kg.
Aufbau und Eigenschaft des Wassermoleküls
Wassermolekül, winklige Anordnung der Atome
Das Wassermolekül besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Der Sauerstoff ist in der Mitte der beiden Wasserstoffatome angeordnet, das Molekül bildet, wie auf der Zeichnung zu erkennen ist, insgesamt ein Dreieck. Würde man die Mittelpunkte der Atome miteinander verbinden, so schlössen die zwei Schenkel vom Sauerstoff zu den Wassertstoffatomen einen Winkel von 104,45° ein.
Dipolmoment
Der Sauerstoff hat eine höhere Elektronegativität als der Wasserstoff. Durch die dreieckige Geometrie des Moleküls und die unterschiedlichen Partialladungen der Atome hat es auf der Seite des Sauerstoffs negative und auf der Seite der beiden Wasserstoffatome positive Polarität. Diese bewirkt das Dipolmoment, das in der Gasphase 1,84 Debye beträgt. Eine Erklärung für die winklige Anordnung der beiden Wasserstoffmoleküle, wegen der es erst zur Dipolbildung, und damit zu den besonderen Eigenschaften des Wassers kommt, liefert die VSEPR-Theorie anhand der beiden einsamen Elektronenpaare auf dem Sauerstoffatom. Durch die unterschiedlichen Partialladungen kann das Molekül von bestimmten elektromagnetischen Wellen, den Mikrowellen, in Schwingungen versetzt werden, welche zur Erwärmung des Wassers führen.
Wasserstoffbrückenbindung
Wassermoleküle wechselwirken miteinander über Wasserstoffbrückenbindungen und besitzen dadurch ausgeprägte zwischenmolekulare Anziehungskräfte. Es handelt sich dabei um keine beständige, feste Verkettung. Der Verbund der Wassermoleküle, die über Wasserstoffbrückenbindungen verkettet sind, besteht nur Bruchteile von Sekunden, dann lösen sich die einzelnen Wassermoleküle wieder aus dem Verbund und verketten sich mit anderen Wassermolekülen. Dieser Vorgang wiederholt sich ständig.
Für die Ausbildung der Wasserstoffbrückenbindungen ist unter anderem der kleine Durchmesser des Wasserstoffatoms von Bedeutung, da es sich nur so in ausreichendem Maße dem Sauerstoffatom nähern kann. Die höheren Homologen des Wasser, zum Beispiel Schwefelwasserstoff H2S, bilden derartige Bindungen aufgrund der geringeren Elektronegativitätsdifferenz zwischen den Bindungspartnern nicht aus.
Die Verkettung der Wassermoleküle durch Wasserstoffbrückenbindungen ist die Ursache für viele besondere Eigenschaften, zum Beispiel dafür, dass Wasser trotz des geringen Molekülgewichts flüssig ist. H2S liegt im Gegensatz dazu gasförmig vor. Auch dass Wasser seine größte Dichte bei 4 Grad Celsius hat, ist auf die Wasserstoffbrückenbindungen zurückzuführen.
Eigenschaften des Wassers
Die Eigenschaften des Wassers beruhen hauptsächlich auf dem Aufbau des Wassermoleküls und der daraus resultierenden Verkettung der Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen. Die Eigenschaften des Wassers sind so besonders, dass sie Wasser zu dem bedeutendsten Stoff der Erde machen.
Die hier angegebenen Eigenschaften beziehen sich auf Wasser ohne gelöste Stoffe. Sie dienen nur zu Grundlage, um die nachfolgenden Abschnitte zu verstehen, denn ein solch reines Wasser läßt sich höchstens in einem Labor erzeugen.
Bis heute werfen einige Eigenschaften des Wassers Forschern große Rätsel auf, obwohl die Eigenschaften des Wassers schon seit jeher Objekt von Forschungen sind. Auch wenn man einige Eigenschaften des Wasser nicht kannte oder nicht erklären konnte, wurden sie dennoch immer ausgenutzt.
Physikalische Eigenschaften
Die physikalischen Eigenschaften des Wassers sind stark von der Temperatur und dem Druck abhängig. Große Veränderungen der physikalischen Eigenschaften des Wassers treten auch ein, wenn im Wasser Stoffe gelöst sind. Allgemein kann gesagt werden, dass zum Beispiel die Oberflächenspannung und Viskosität des Wassers mit zunehmender Temperatur abnehmen. Mehrere Eigenschaften des Wassers sind besonders auf die Verkettung der Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen zurückzuführen und wegen dieser Verkettung anders als erwartet. Zu den Eigenschaften, die aus der Verkettung der Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen resultieren, zählen unter anderem der hohe Schmelz- und Siedepunkt des Wasser sowie die Dichteanomalie.
Aggregatzustände
Unter Normalbedingungen ist Wasser eine Flüssigkeit. Wasser ist der einzige uns bekannte Stoff, der in der Natur in allen drei Aggregatzuständen existiert. Das folgende Phasendiagramm zeigt, wie der Aggregatzustand des Wassers von der Temperatur abhängig ist. Die kritische Temperatur des Wassers liegt bei 947 °C, der kritische Druck bei 2,21 · 107 Pa und der Tripelpunkt bei 611,73 Pa und 0,01 °C.
Schmelz- und Siedepunkt
| Siedepunkt in Abhängigkeit zum Dampfdruck | |
|---|---|
| Dampfdruck in mbar | Siedepunkt in °C |
| 1066 | 101,4 |
| 1013 | 100,0 |
| 933 | 97,7 |
| 800 | 93,6 |
| 667 | 88,7 |
| 400 | 75,8 |
| 267 | 66,3 |
| 133 | 51,5 |
| 6 | 0 |
Der Schmelz- und der Siedepunkt des Wassers haben für die Menschheit eine so große Bedeutung, dass diese als Fixpunkte der Celsiusskala festgelegt wurden.
Wasser siedet unter Normalbedingungen bei 100 °C und erstarrt bei 0 °C, kann allerdings auch bei Normalbedingungen unter 0 °C als Flüssigkeit vorliegen, es handelt sich in dem Fall um unterkühltes Wasser. Der Siedepunkt des Wasser ist allerdings, wie die linke Tabelle zeigt, stark vom Dampfdruck abhängig. Wasser läßt sich auch unter Normaldruck etwas über seinen Siedepunkt hinaus erhitzen (Siedeverzug).
Wasser hat einen relativ hohen Siedepunkt (das Methan besitzt dieselbe Molmasse und siedet bereits unter Normaldruck bei -164 °C). Falls Wasser den aus der Molmasse abzuleitenden Gesetzmäßigkeiten entspräche, müsste es demnach bei Raumtemperatur unter Normaldruck als Gas vorliegen. Dieses Verhalten lässt sich dadurch erklären, dass zusätzlich zu den intramolekularen Kräften auch die Wasserstoffbrückenbindungen überwunden werden müssen.
Dichteanomalie
Wasser hat seine größte Dichte bei 3,98 °C(bei Normaldruck), bei dieser Temperatur hat es eine Dichte von 1 g/cm³. Das bedeutet, dass festes Wasser (Eis) eine geringere Dichte besitzt als flüssiges Wasser. Die Dichteanomalie des Wassers besteht darin, daß es sich trotzt weiterer Temperaturverringerung wieder ausdehnt, was man von anderen Stoffen nicht kennt.
Im festen Aggregatzustand - hier Eis - wird normalerweise eine hohe Fernordnung durch Ausbildung eines Kristallgitters erreicht. Im flüssigen Zustand herrscht eine Mischung von Ordnung und Chaos und die Moleküle brauchen durch ihre höhere Geschwindigkeit mehr Platz. Darum erhöht sich das Volumen und die Dichte wird geringer. Im gasförmigen Zustand ist die maximale Unordnung erreicht und die Atome brauchen maximalen Raum für die Bewegung.
Der Grund der Anomalie des Wassers ist die Verkettung der Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen. Dadurch ist die resultierende Struktur im festen Zustand größer als bei beweglichen Molekülen. Dies ist ein fortschreitender Vorgang, d. h., dass schon im flüssigen Zustand so genannte Cluster aus Wassermolekülen vorhanden sind. Bei 3,98 °C ist der Zustand erreicht, bei dem die einzelnen Cluster das geringste Volumen einnehmen und damit die größte Dichte haben. Wenn die Temperatur weiter sinkt, wird durch die weiteren Kristallstrukturen mehr Volumen benötigt. Wenn die Temperatur steigt, benötigen die Moleküle wieder mehr Bewegungsfreiraum und das Volumen steigt.
Die Dichteanomalie des Wassers bewirkt bei Frost im Winter Schäden an Straßen, Bauteilen und Wasserleitungen.
Löslichkeit
Wasser ist ein hervorragendes Lösungsmittel für viele Stoffe, es ist polares Lösungsmittel mit einer hohen Dielektrizitätskonstante.
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 besser in Wasser lösen lassen (Ausnahme gibt es mehrere, wie z. B. Lithiumsulfat). Allgemein gilt, dass ein Stoff sich umso besser in Wasser lösen lässt, je 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, hierbei entscheidet die Differenz zwischen der exothermen Hydration und dem endothermen Gitterabbau, ob eine Erwärmung oder eine Verkälterung eintritt.
Optische Eigenschaften
Tritt Licht von der Luft ins Wasser ein, so wird es deutlich schwächer gebrochen als zum Beispiel bei Glas oder Diamanten. Der Grenzwinkel des Wassers liegt hier bei 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.
Da Wasser viel sichtbares Licht durchlässt und bricht, ermöglicht dies auch die Existenz von Lebewesen im Wasser, die Licht zum Leben benötigen wie zum Beispiel Algen
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.
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 Wassers nimmt mit zunehmender Temperatur ab. Werte zur Viskosität des Wassers kann man aus der linken Tabelle entnehmen.
Geruch, Farbe und Geschmack
Wasser ist im reinen Zustand geschmack- und geruchlos. Wasser ist anders als angenommen auch farblos und transparent, die blaue Färbung von Wasser entsteht primär nur, weil sich der Himmel darin spiegelt. Bei im Wasser gelösten Stoffen kann es zu einer deutlichen Veränderung dieser Eigenschaften kommen.
Spezifische Wärmekapazität
Wasser hat mit 4167 J/(kg K) eine im Vergleich zu anderen Stoffen ziemlich hohe spezifische Wärmekapazität. Das bedeutet, dass Wasser vergleichsweise sehr viel Energie aufnimmt und sich die Temperaur dabei wenig erhöht. Das hat große Bedeutung für unser sehr gemäßigtes Klima, welches im Sommer nicht sehr viel wärmer ist als im Winter. Wären unsere Ozeane aus Öl mit einer spezifischen Wärmekapazität von ca. 2000 J/(kg K), so wären die Temperaturen etwa doppelt so hoch trotz gleicher Sonnenernergieeinstrahlung.
Feste Stoffe wie z.B.Blei haben eine Wärmekapazität von 129 J/(kg K) und Kupfer hat sogar nur eine von 380 J/(kg K).
Schmelz- und Verdampfungswärme
Für die Wandlung von 0 °C kaltem Eis in 0 °C kaltes Wasser muss eine Energie von 335 kJ/kg aufgebracht werden.
Will man 100 °C warmes Wasser in 100 °C warmen Dampf ändern, werden dafür 2.256 kJ/kg benötigt. Eine Zustandsänderung von 25 °C warmem Wasser in 100 °C warmen Dampf erfordert 2.460 kJ/kg. Um 0 °C kaltes Wasser in 100 °C warmen Dampf zu ändern, benötigt man 2.500 kJ/kg.
Die Verdampfungswärme des Wassers liegt wesentlich höher als die Verdampfungswärme von anderen Flüssigkeiten, Methanol hat im Vergleich nur eine Verdampfungswärme von 845 kJ/kg und Quecksilber sogar nur eine von 285 kJ/kg.
Thermodynamische Eigenschaften
| Thermodynamik | |
|---|---|
| ΔfH0g | -241,83 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) |
Die thermodynamischen Eigenschaften des Wasser kann man obiger Tabelle entnehmen.
Wärmeleitfähigkeit
| Wärmeleitfähigkeit | |
|---|---|
| Temperatur in °C | Wärmeleitfähigkeit in W/mK |
| -20 | w:0,523 e:2,43 |
| 0 | w:0,564 e:2,22 |
| 10 | 0,584 |
| 20 | 0,597 |
| 30 | 0,618 |
| 50 | 0,645 |
| 80 | 0,670 |
| 100 | 0,682 |
Wasser hat im Vergleich zu anderen Flüssigkeiten eine hohe Wärmeleitfähigkeit aber im Vergleich mit einigen Metallen eine sehr geringe. Die Wärmeleitfähigkeit des Wassers nimmt mit zunehmender Temperatur zu, Eis leitet Wärme jedoch wesentlich besser als flüssiges Wasser.
Bei 20 °C weist Wasser eine Wärmeleitfähigkeit 0,62 W/mK, Kupfer im Vergleich 394 W/mK und Silber sogar eine von 429 W/mK auf.
Chemische Eigenschaften
Die chemischen Eigenschaften des Wassers sind nicht so außergewöhnlich wie die physikalischen Eigenschaften.
Wasser hat eine 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 höherem Energieaufwand ablaufen.
Reaktivität
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. Ein Beispiel:
Natrium reagiert mit Wasser zu Natriumoxid und Wasserstoff
Die wohl wichtigste Reaktion des Wassers ist die Photosynthese, welche für Pflanzen und andere Lebewesen sehr wichtig ist. Sie liefert die für Pflanzen wichtige Stärke und für den Menschen Sauerstoff:
Destilliertes Wasser hat einen PH-Wert von 7, ist also neutral. In der Praxis hat Wasser aber einen PH-Wert zwischen 5 und 7, da reines Wasser ohne gelöste Stoffe in der Praxis nicht vorkommt. Lässt man Wasser sogar nur an der Luft stehen, lösen sich sofort Gase im Wasser.
Andere Eigenschaften
Nach einer sehr umstrittenen These, die von einigen Forschern aus Amerika entwickelt wurde, 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 besäße. Die These wird von einigen als bekräftigt, von anderen als entkräftigt gesehen; eine Unterscheidung zwischen Forschung und Kommerzialismus ist hier nur schwer möglich.
Entstehung und Vorkommen
Das Wasser auf der Erde ist durch das Ausgasen der Magma entstanden. Die heute größte Menge an Wasser wird biochemisch synthetisiert: Mineralisation, Photosynthese (Guttation, Transpiration (Botanik).
Große Teile der Erde sind vom Wasser bedeckt (über 70 %, Wasserhalbkugel). Die Versorgung der Weltbevölkerung mit hygienisch und toxikologisch unbedenklichem Wasser stellt eine der größten Herausforderungen der Menschheit in den nächsten Jahrzehnten dar. Die Wasservorkommen der Erde belaufen sich auf ca. 1,38 Milliarden km3. Der weitaus größte Teil, 97,4 % davon ist das in den Weltmeeren vorkommende Salzwasser. Nur 2,6 % davon (36 Millionen km3) liegen als Süßwasser vor. Das meiste Süßwasser ist als Eis an den Polen und in Gletschern gebunden; nur 0,3 % der weltweiten Wasservorräte (3,6 Millionen km3) sind als Trinkwasser verfügbar.
Auch auf anderen Planeten wie zum Beispiel dem Jupiter kommt Wasser vor, aber nur in sehr geringen Mengen und meist als Eis oder Wasserdampf.
Synthese, Elektrolyse und Nachweis
Wasser wurde zum ersten Mal synthetisiert als Henry Cavendish ein Gemisch aus Wasserstoff und Luft zum Explodieren brachte.
Da Wasserstoff in der Zukunft Energieträger werden soll, ist im Gespräch, durch die Elektrolyse des Wassers diesen Wasserstoff zu gewinnen. Allerdings ist ein hoher Energieaufwand für die Elektrolyse nötig. Mittlerweile ist es Forschern gelungen, Wasser durch Anwesenheit eines Katalysators nur mittels Sonnenlicht in Sauerstoff und Wasserstoff aufzuspalten.
Wasser färbt weißes Kupfersulfat hellblau und blaues Kobalt(2)-nitratpapier wird durch Wasser rot gefärbt.
Bedeutungen des Wassers
Bedeutung des Wassers für das Klima
Wasser beeinflusst entscheidend unser Klima und ist für die Entstehung von Wetter verantwortlich, vor allem durch seine Kapazität als Wärme(Energie-)speicher. In den Ozeanen wird die einstrahlende Sonnenenergie gespeichert. Diese regional unterschiedliche Erwärmung führt wegen Verdunstung zu Konzentrationsunterschieden (vor allem Salinität (Salzgehalt)). Dieses Konzentrationsgefälle erzeugt globale Meeresströmungen, die sehr große Energiemengen (Wärme) transportieren (z. B. Golfstrom, Humboldtstrom, äquatorialer Strom, mitsamt ihren Gegenströmungen). Ohne den Golfstrom würde in Mitteleuropa arktisches Klima herrschen.
Im Zusammenhang mit dem Treibhauseffekt stellen Ozeane die wirksamste CO2-Senke dar, da Gase wie Kohlendioxid in Wasser gelöst werden. Die mit der globalen Erwärmung einhergehende Temperaturerhöhung der Weltmeere führt zu einem geringeren Haltevermögen an Gasen und damit zu einem Anstieg des CO2 in der Atmosphäre.
Bei der Erwärmung verdunstet Wasser, es entsteht Verdunstungskälte. Als "trockener" Dampf (nicht kondensierend) und als "nasser" Dampf (kondensierend: Wolken, Nebel) enthält und transportiert es latente Wärme, die für sämtliche Wetterphänomene entscheidend verantwortlich ist (siehe auch Luftfeuchtigkeit, Gewitter, Föhn). Die Wärmekapazität des Wassers und die Phänomene der Verdunstungskälte und latenten Wärme sorgen in der Nähe von großen Gewässern für gemäßigte Klimate mit geringen Temperaturschwankungen im Jahres- und Tagesgang. Wolken verringern zudem die Einstrahlung durch die Sonne und die Erwärmung der Erdoberfläche durch Reflexion.
Der aus Wolken fallende Niederschlag und der Wasserdampf (Auskämmung und Potosynthese bzw. Atmung) bewässern die terrestrischen Ökotope. Auf den Landmassen können so Gewässer oder Eismassen entstehen, die auch meso- und mikroklimatische Wirkungen haben. Das Verhältnis von Evapotranspiration (Gesamtverdunstung eines Gebietes) zu Niederschlag entscheidet, ob sich trockene (aride, Steppen, Wüsten) oder feuchte (humide, Wälder, Waldsteppen), Klimate)) bilden. Auf den Landmassen ist außerdem die Vegetation eine klimatische Größe.
Bedeutung des Wassers für die Biosphäre
Grundbaustein des Lebens
Das Leben ist nach dem heutigen Erkenntnisstand im Wasser entstanden (siehe auch Evolution). Vor etwa 3,5 Millarden Jahren entwickelten sich die ersten Blaualgen als primitive Einzeller (Nukleinsäuren und DNA), die mit der Veratmung von Schwefelwassertsoff (H2S) und Kohlendioxid (CO2) Sauerstoff produzierten. Der Sauerstoff ermöglichte die Existenz von autotrophen Einzellern (vor allem Photosynthese) und schließlich von Tieren.
Wasser wurde damit zum wichtigen Bestandteil der Zelle und Medium grundlegender biochemischer Vorgänge (Stoffwechsel) zur Energiegewinnung und -speicherung:
Auf Grund des Dipolmomentes und wegen der Viskosität eignet sich Wasser als Lösungs- und Transportmittel. Wasser ist nicht nur an Erbgutinformation und Stoffwechsel beteiligt, sondern transportiert Nährstoffe und Abbauprodukte innerhalb und außerhalb von Organismen (z. B. Blut) und Zellen. Die Eigenschaften des Wassers werden bei Pflanzen und Tieren (inklusive Mensch) mannigfaltig, z. B. für die Temperaturregulierung benutzt, in Form von Guttation, Schwitzen, etc., oder z. B. als Basis für antbakterielle Schutzfilme bei Kröten und Fischen.
Wasser und Ökosysteme
In terrestrischen Ökosystemen ist Wasser begrenzender Faktor der Produktivität. Es ist essentiell für den Stoffwechsel von Lebewesen (Biosphäre), sowie für die Herausbildung und Prägung ihrer Standorte (Pedosphäre, Atmosphäre/Klima).
Die mit weitem Abstand größte Biomasse und größte Produktivität stellen die aquatischen Ökosysteme, vor allem die Ozeane bereit, in denen der begrenzende Produktionsfaktor die Menge des im Wasser gelösten CO2 (Kohlendioxid) ist. Die Eigenschaften des Wassers werden mit hoher Effizienz genutzt, z. B. bei der Oberflächenspannung von Insekten, Spinnentieren, der Dichte und den optischen Eigenschaften von Plankton etc.
Die Dichteanomalie führt in Gewässern zu einer Temperaturschichtung, zu Sperrschichten und Ausgleichsströmungen, die vor allem in limnischen (Süßwasser-) Biotopen charakteristisch sind (siehe Limnologie), aber auch in marinen Ökosystemen anzutreffen sind und genutzt werden. Die Dichteanomalie ermöglicht auch das Überleben von Lebewesen bei Frost, da stehende Gewässer nicht bis zum Grund erstarren (Ausnahme flache Gewässer und "Frosttrocknis").
Auch wenn aquatische Ökosysteme durch die Wärmekapazität des Wassers sehr stabile Lebensräume darstellen, haben auch geringere Temperaturschwankungen deutliche Folgen (vgl. Gewässerbelastung, Eutrophierung, Trophie). So wird die Temperaturerhöhung der Ozeane Veränderungen in marinen Ökosystemen zur Folge haben.
Bedeutung des Wassers für die menschliche Gesundheit
Ein Mangel an Wasser oder eine schlechte Wasserqualität führen beim Menschen und anderen Lebewesen zu gravierenden gesundheitlichen Problemen, da in diesem Fall die Funktionen des Körpers, die auf das Wasser angewiesen sind, eingeschränkt werden.
Ein Mensch sollte (nach einer Faustregel) pro Kilogramm 30 ml Wasser am Tag trinken. Bei sportlichen Betätigungen oder besonders warmen Tagen ist das regelmäßige Trinken von Wasser besonders wichtig, hier greift die Faustregel selbstverständlich nicht.
Neben der Wassermenge sollte beim Trinken auch auf die Wasserqualität geachtet werden. Trinkwasser sollte frei von Giftstoffen und gefährlichen Keimen sein. Da diese Überprüfung für einen "Normalmenschen" nicht ohne weiteres möglich ist, sollten Veränderungen des Wassergeschmacks, -geruchs oder der Farbe als Warnhinweis genommen werden.
Es sollte versucht werden, Wasser nicht in die Lungen gelangen zu lassen. Eine dauerhafte Nässe auf der Haut kann zu Hautpilzen führen.
In der Medizin wird Wasser unter anderem bei der Inhalation zur Heilung, etwa von Husten, benutzt.
Die Anwesenheit von Wasser kann sich auch negativ auf die Gesundheit auswirken, da Wasser bei der Verbreitung von Krankheitserregern beschleunigend wirkt.
Technische Bedeutung des Wassers
In vielen Maschinen und Kraftwerken wird Wasser seit jeher genutzt um Energie zu gewinnen oder mechanische Arbeit zu verrichten. Auch wird Wasser in Kraftwerken aufgrund der hohen Verdampfungswärme zur Kühlung benutzt, was zu einem hohen Wasserverbrauch führt: 1991 wurden in Deutschland allein 29 Millarden m3 Wasser als Kühlwasser in Kraftwerken verbraucht.
Ein altes Beispiel, bei dem Wasser benutzt wurde, um mechanische Arbeit zu verrichten, ist die Wassermühle.
Auch in Wasserkraftwerken wird fließendes Wasser benutzt, um in Turbinen Arbeit zu verrichten.
Wasserdampf wird in der Technik zum Antrieb von Dampfmaschinen und Dampfturbinen benutzt.
Bedeutung des Wassers für Wirtschaft und Entwicklung
Wasser ist ein sehr wichtiger Faktor für Entwicklung und Wirtschaft. Es wird nicht nur zur Trinkwasserversorgung der Menschen benötigt. Wichtig für die Wirtschaft sind vor allem folgende Formen des Wassers: Flüsse, da auf ihnen leicht Güter transportiert werden können; Badegewässer als wichtiger Faktor für den Tourismus; Gewässer mit Fischen zum Verzehr. Regen ist sehr wichtig für die landwirtschaftliche Nutzung von Land.
Die Wichtigkeit des Wasser für die Wirtschaft zeigt sich auch in diesen Fällen:
- In vielen Entwicklungsländern ist zu wenig oder nur verschmutztes Wasser vorhanden; alle Industrienationen zeichnen sich aber durch genügend Wasser von guter Qualität aus.
- Die meisten Großstädte grenzen an Flüsse, Seen oder Meere.
Die Anwesenheit von Wasser kann sich aber auch negativ auf Wirtschaft und Entwicklung auswirken: So kann Wasser durch seine geologische Zerstörungswut große wirtschaftliche Schäden verursachen und unmittelbar nach solchen Katastrophen sich beschleunigend auf die Verbreitung von Krankheitserregern auswirken.
Wasser in den Wissenschaften
Wasserchemie
Die Chemie beschäftigt sich hauptsächlich mit der Analyse von im Wasser gelösten Stoffen, den Eigenschaften des Wassers, dessen Nutzung, dessen Verhaltensweise in verschiedenen Matrices.
Wasser ist das beste natürliche Lösungsmittel für viele Stoffe, für Ionenverbindungen sowieso, aber auch für Gase und für hydrophile organische Verbindungen. Sogar gemeinhin als in Wasser unlöslich geltende Verbindungen können in Spuren im Wasser enthalten sein. Daher liegt Wasser auf der Erde nirgends in reinem Zustand vor. Es hat je nach Herkunft die unterschiedlichsten Stoffe in mehr oder weniger großen Konzentrationen in sich gelöst.
In der Analytik unterscheidet man unter anderem folgende Wassertypen:
Reinstwasser, Grundwasser, Rohwasser, Trinkwasser, Oberflächengewässer (Fließ- und Stehgewässer), Meerwasser, Abwasser.
Aber auch bei den wässrigen Auslaugungen (Eluaten) von Sedimenten, Schlämmen, Feststoffen, Abfällen und Böden wird die Wasseranalytik eingesetzt.
Wasser in den Geowissenschaften
In den Geowissenschaften hat sich eine Wissenschaft herausgebildet, die sich besonders mit dem Wasser beschäftigt: die Hydrologie.
Besonders interessant für die Geowissenschaften ist wie Wasser das Landschaftsbild verändert (von kleinen Veränderungen über einen großen Zeitraum bis hin zu Katastrophen, bei denen Wasser innerhalb weniger Stunden ganze Landstriche zerstört), dies geschieht zum Beispiel auf folgende Weisen:
- Flüsse oder Meere reißen Erdmassen mit sich und geben sie an anderer Stelle wieder ab.
- Durch sich bewegende Gletscher werden ganze Landschaften eliminiert.
- Wasser wird von Steinen gespeichert, gefriert in diesen und sprengt die Steine auseinander,weil es sich beim Gefrieren ausdehnt.
- Durch Dürren werden ganze Vegetationen ausgelöscht.
Auch interessiert Geowissenschaftlern die Vorhersage des Wetters und besonders von Regen (Meteorologie)
Kulturelle Bedeutung des Wassers
Aufgrund der großen Bedeutung des Wassers wurde es nicht zufällig bereits bei den frühesten Philosophen zu den vier Urelementen gezählt. Thales von Milet sah im Wasser sogar den Urstoff allen Seins.
Wasser in der Mythologie
Wasser ist in der Vier-Elemente-Lehre neben Feuer, Luft und Erde ein Element.
Im antiken Griechenland wurde dem Element Wasser der Ikosaeder als einer der fünf Platonischen Körper zugeordnet.
Wasser in der Religion
In den Religionen hat Wasser häufig einen hohen Stellenwert. Oft wird die reinigende Kraft des Wassers beschworen, zum Beispiel bei den Moslems in Form der rituellen Fußwaschung vor dem Betreten einer Moschee, oder im Hindu-Glauben beim rituellen Bad im Ganges. In der christlichen Kirche spielt das Weihwasser eine besondere Rolle. Die Taufe führt, ursprünglich durch das Untertauchen, heutzutage in den meisten Konfessionen nur noch durch Besprengen mit Weihwasser, zur Aufnahme in die Kirche. Vor allem seine reinigende Kraft gab immer wieder Anlass, über die Bedeutung des Wassers für das Leben und auch für ein Leben nach dem Tod nachzudenken (siehe Taufe; Weihwasser).
Wasser in der Esoterik
In der Esoterik heißt es, Wasser übertrage Informationen durch die so genannte HADO-Energie. Auch der Begriff des Polymer-Wassers scheint sich hier noch immer zu halten. Der wissenschaftliche Hintergrund: in den 1960er Jahren haben russische Forscher hochreines Wasser mehrfach destilliert. Sie konnten eine winzige Spur einer zähflüssigen Substanz extrahieren. Wiederholungen an anderen Forschungsinstituten ergaben, dass die Quelle für das Polymer-Wasser nicht etwa Wasser war, sondern minimale menschliche Schweißabsonderungen waren - Forscherschweiß.
Wasser als Trinkwasser und Produkt
Die zur Trinkwasserversorgung nutzbaren Wasservorkommen werden unterschieden in Niederschlagswasser, Oberflächenwasser in Flüssen, Seen, Talsperren, Grundwasser und Quellwasser. Die Nutzung der Gewässer wird im Wasserhaushaltsgesetz (in Deutschland, Österreich und der Schweiz(?)) geregelt. In Mitteleuropa gibt es eine zuverlässige, weitgehend kostendeckende und hochwertige Wasserversorgung, meist noch durch öffentliche Anbieter. Meist kommt Leitungswasser aus der näheren Region, für die der kommunale Versorger auch ökologisch Verantwortung übernimmt. Der weltweite Wassermarkt hat ein Wachstum wie kaum eine andere Branche. Deshalb haben private Anbieter großes Interesse, Wasser als Handelsware zu definieren, um diesen Markt zu übernehmen.
Wasserverbrauch
Der Wasserbedarf in Deutschland betrug 1991 47,9 Millarden m3, wovon allein 29 Millarden m3 als Kühlwasser in Kraftwerken dienten. Rund 11 Millarden m3 wurden direkt von der Industrie genutzt, 1,6 Millarden m3 von der Landwirtschaft. Nur 6,5 Millarden m3 dienten der Trinkwasserversorgung. Der durchschnittliche Wasserverbrauch beträgt rund 130 Liter pro Einwohner und Tag.
Wasserversorgung
Die Versorgung der Menschheit mit gesundheitlich unbedenklichem Wasser stellt Menschen nicht nur in den Entwicklungsländern vor ein großes logistisches Problem. Nur 0,3 % der weltweiten Wasservorräte (3,6 Millionen km3) sind als Trinkwasser verfügbar.
Besonders in niederschlagsarmen Ländern ist dieser Prozentsatz noch geringer, und reicht hier das Wasser gerade noch zur Trinkwasserversorgung, dann findet sich oft nicht mehr genügend Wasser zur landwirtschaftlichen Nutzung, was zu einem gleichgroßen Dilemma führt.
Um dieses Problem zu lösen, wurden schon verrückt erscheinende Ideen erwägt: so wurde vorgeschlagen, mit Schleppern einen riesigen Eisberg über das Meer zu schleppen, der nur zum Teil schmelzen würde, und von dem auftauenden Eisberg Trinkwasser aufzufangen.
Siehe auch
Arten bzw. Agreggatzustände des Wassers: Eis, Wasserdampf, Schnee.
Wasserschutz und -recht: Wasserreinhaltung, Umweltschutz, Wasserrecht, Wasserrahmenrichtlinie, Wasserhaushaltsgesetz.
Namen für spezielle Arten von Wasser: Süßwasser, Salzwasser, Grundwasser, Regenwasser.
Chemie: Wasserhärte
Trinkwasser: Trinkwasser, Mineralwasser, Trinkwasseraufbereitung.
Gewässer: Gewässer, Binnenmeer ,Gewässergüteklasse, See , Teich, Meer, Fluss, Bach, Flussaue.
andere Wasserstoff-Sauerstoffverbindungen: Wasserstoffperoxid, Dihydrogentrioxid, schweres Wasser.
Geographie: Hydrologie, Wasserkreislauf, Regen.
Projekte, die sich mit Wasser beschäftigen:Weltwasserforum, Jahr des Süßwassers.
Bilder und Diagramme zum Thema Wasser
In der Bildergalerie sind einige Bilder und Diagramme zum Thema Wasser zu finden.
Literatur
Gesundheit:
- Batmanghelidj, F.: Wasser - die gesunde Lösung; Ein Umlernbuch, VAK Verlag, ISBN 3-924077-83-5
- Batmanghelidj, F.: Sie sind nicht krank, Sie sind durstig! Heilung von innen mit Wasser und Salz (2003) ISBN 3-935767-25-0
Wasserchemie:
- Günter Wieland: Wasserchemie, 12. Auflage, Essen 1999 ISBN 3-8027-2542-5
- Bernd Naumann: Chemische Untersuchungen der Lebensgrundlage Wasser, Herausgeber: Landesinstitut für Lehrerfortbildung, Lehrerweiterbildung und Unterrichtsforschung von Sachsen-Anhalt (LISA)], (=Anregungen zur ökologischen Bildung, Bd. 2), Halle 1994
Eigenschaften:
- Klaus Scheffler: Wasserdampftafeln: thermodynam. Eigenschaften von Wasser u. Wasserdampf bis 800°C u. 800 bar, Berlin [u.a.] 1981 ISBN 3-540-10930-7
- Leopold Lukschanderl: Wasser: der Stoff, der zwar gewöhnlich aussieht, aber ganz außergewöhnliche Eigenschaften besitzt, Wien 1991
Weblinks
- Gesundheit:
- Esoterik:
- Physikalische Eigenschaften:
- Satirische Betrachtung:
