Geheimnisvolles Wasser Teil 1

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Geheimnisvolles Wasser Teil 1

Regen, Schnee, Eis, Nebel Wasser tritt in vielen Gestalten auf. Obwohl ein Wassermolekül nur aus zwei Wasserstoff- und einem Sauerstoffatom besteht, bleibt es auch heutzutage weiterhin von Rätseln umgeben. Mehr über wässriges Glas und Eis, das bei 500° Celsius noch fest bleibt, erfährst du hier ...

Wasser ist ein relativ einfaches Molekül. Die chemische Bezeichnung lautet H2O. Das H steht für das Element Wasserstoff, O bezeichnet Sauerstoff. Die Formel sagt also, dass ein Wassermolekül aus zwei Wasserstoff- und einem Sauerstoffatom besteht. Drei Atome, das klingt nicht, als ob sich heutzutage dahinter noch ein großes Geheimnis verbergen könnte.


Das Wassermolekül als sogenanntes Kalottenmodell. Die rote Kugel steht für Sauerstoff, die kleineren weißen für die Wasserstoffatome.

Zumal Wasser in seinem Aufbau durch den Chemiker Henry Cavendish schon seit 1781 bekannt ist. Doch Forscher müssen zugeben, dass bis heute die Eigenschaften des Wassers nicht verstanden sind. Es gibt mehrere Dutzend so genannte Anomalien des Wassers. Als Anomalie bezeichnet man eine Eigenschaft, die von der Erwartung und allgemeinen Erfahrung abweicht.


Einzigartiges Wasser


Wasser liegt in drei so genannten Aggregatzuständen vor: flüssig, fest (als Eis) und gasförmig (als Dampf). Wasser ist die einzige Substanz, die auf der Erde in allen drei Zuständen vorliegt. Statt Aggregatzustand ließt man manchmal auch den Begriff Phase.


Eine der Anomalien des Wassers ist die sogenannte Dichteanomalie. Eigentlich gilt: Je heißer etwas wird, desto mehr dehnt es sich aus. Umgekehrt: Je kälter etwas wird, desto mehr zieht es sich zusammen. Darum verlegt man zum Beispiel Eisenbahnschienen mit einer kleinen Lücke: Im Sommer dehnen sich die Schienen aus. Auch Brücken werden beweglich gelagert und können sich je nach Temperatur strecken oder zusammenziehen.


Wasser braucht Platz


Anders bei Wasser: Oberhalb von vier Grad Celsius dehnt es sich aus und wird schließlich dampfförmig. Aber unterhalb von vier Grad Celsius dehnt es sich ebenfalls aus, und zwar um bis zu knapp zehn Prozent! Das ist der Grund, warum eine gefüllte und verschlossene Wasserflasche im Gefrierfach explodiert. Darum werden auch Straßen und andere befestigte Flächen auf einem Schotterbett verlegt: das Wasser fließt ab und zerstört im Winter nicht durch seine Ausdehnung die Asphaltschicht.

 

 


Zwischen den Sauerstoff- und Wasserstoffmolekülen bilden sich so genannte Brückenbindungen, die sich innerhalb einer Billionstel Sekunde wieder auflösen (Picosekunde).

Ringelreihen der Moleküle

Im flüssigen Zustand stehen die Wassermoleküle auf vielerlei Weise in Kontakt: So genannte Wasserstoffbrückenbindungen verbinden einzelne Moleküle untereinander. Das ist aber nur eine sehr schwache Bindung und gehört in die gleiche Kategorie wie die Anziehung, die ein an Stoff geriebener Luftballon auf deine Haare ausübt. Es ist eine so genannte elektrostatische Anziehung. Gäbe es diese Brückenbindung nicht, dann würde Wasser schon bei Minustemperaturen verdampfen, Leben in bekannter Form wäre nicht möglich.

Eine Theorie ist folgende: Wenn nun die Temperatur sinkt, dann ordnen sich die Moleküle zu Ringen an. Diese Ringe brauchen mehr Platz, als wenn die Moleküle umeinander herum gleiten können das Eis dehnt sich aus.


13 Arten von Eis


Bislang hat man noch keine zwei gleichen Schneeflocken gefunden. Viele Faktoren beeinflussen die Gestaltbildung: Im Wasser enthaltene Substanzen, Gefriergeschwindigkeit, Luftfeuchte und noch viel mehr ...



Wenn wir schon beim Eis sind: Forscher unterscheiden mittlerweile 13 verschiedene Arten von Eis oder kristallinem Wasser. Eis-I ist das, was du kennst: Eiswürfel oder Schneeflocken bestehen daraus. Forscher ändern die Eigenschaften von Eis, indem sie Druck oder Temperatur ändern. Beim 10 000-fachen Druck der Erdatmosphäre ist Wasser sogar noch bei 500° Celsius fest! Würde es auf einem solchen Hochdruckplaneten schneien, dann wären die Schneeflocken viereckig und Eisschollen würden versinken.


Können nur Elefanten Eislaufen?


Auch das Eislaufen stellt Forscher weiterhin vor ein Rätsel. Auch wenn es -20° Celsius hat: zwischen Kufe und Eis bildet sich immer ein dünner Wasserfilm, auf dem man gleitet. Aber eigentlich bräuchte man das Gewicht eines Elefanten, um Eis alleine durch Druck und Reibung zum Schmelzen zu bringen. Warum das Gewicht eines Menschen, sogar eines Kindes ausreicht, bleibt unklar.


Ein weiteres Phänomen ist für Wasserratten wichtig: Je wärmer das Wasser ist, desto mehr schmerzt ein Bauchplatscher. Es gibt beim Wasser also einen Zusammenhang zwischen Temperatur und Zusammendrückbarkeit (Kompressibilität).


Wasser als Kristall und als Glas


Neben den 13 kristallinen Eisformen gibt es noch drei Arten von glasartigem Wasser. Eis ist kristallines Wasser. Das heißt, die Moleküle liegen geordnet vor und lassen sich nicht gegeneinander verschieben. In glasartigem Wasser liegen die Moleküle ungeordnet vor, lassen sich aber auch nicht mehr gegeneinander verschieben. Bislang sind drei Glaswässer bekannt, zwei sind sehr dicht und schwer und eines ist so leicht, es schwimmt theoretisch sogar auf normalem Wasser. Allerdings braucht man dafür -200° Celsius und hohen Druck.


Schließlich gibt es auch ein Phänomen im Hochtemperaturbereich: Ab 347° Celsius ist Wasser überkritisch. Das heißt es siedet nicht mehr und Dampf und Wasser lassen sich nicht mehr voneinander unterscheiden. Feste Phase und Gasphase haben sich vereinigt.



Kochendes Wasser: Links auf der Erde unter Schwerkrafteinfluss, rechts im Weltall ohne Schwerkraft oder Auftrieb: innerhalb des Wassers bildet sich eine dampfgefüllte Blase, die nicht aufsteigt!

Trinkglas erhält eine neue Bedeutung

Eine Theorie, warum Wasser so seltsames Verhalten zeigt, ist: Es gibt noch zwei weitere Arten von Wasserglas mit unterschiedlichen Eigenschaften. Im Gegensatz zu den schon entdeckten drei festen glasigen Wässern sind diese beiden flüssig. Alles bei Raumtemperatur flüssige Wasser wäre demnach ein Gemisch dieser beiden Arten von Glaswasser.


Und die haben unterschiedliche Eigenschaften. Das könnte zum Beispiel erklären, warum man Schlittschuh laufen kann: Eines der beiden Wässer würde schon bei geringem Druck flüssig werden, während das andere weiterhin gefroren bleibt so kann sich der dünne Gleitfilm bilden.


Bevor du nun in Informationen ertrinkst: Morgen gibt es den zweiten Teil über das Lebenselixier Wasser. Dann erfährst du, warum Planetenforscher nach Wasser suchen, wenn sie außerirdisches Leben suchen, ob man an destilliertem Wasser sterben kann, ob Wasser Informationen speichern kann, was es mit der geheimnisvollen Substanz Dihydrogenmonohydrat auf sich hat und was die Unterschiede zwischen Leitungs-, Mineral-, und Tafelwasser sind.

 

Wenn du mehr über Wasser, Moleküle und Aggregatzustände oder Henry Cavendish erfahren willst, dann schau in unseren WAS IST WAS-Band 4: Chemie oder in unseren WAS IST WAS-Band 48: Luft und Wasser.


Text: -jj- 13.12.2007 // Bilder: Wasser Solkoll/PD; Schneeflocken Wilson Bentley/PD; Wasserstoffbrücken 2 Qwerter/Snek01 GFDL; Tropfen: Fir0001/GFDL; Kochen im Weltall: NASA/PD

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