Die besonderen physikalisch - chemischen Eigenschaften von Wasser

Die physikalische Chemie des Wassers weist einige Besonderheiten auf, die auf die räumliche Anordnung des Wassermoleküls und die Tendenz, Cluster zu bilden, zurückzuführen sind und entscheidende Bedeutung für die Chemie des Wassers und auch das Leben im Wasser haben.

Im Kohlenstoffdioxid-Molekül CO2 ist das Kohlenstoffatom in der Mitte linear angeordnet über je 2 Doppelbindungen mit den Sauerstoffatomen. Das Wassermolekül H2O hat dagegen die Form eines Tetraeders. H-O-H sind in einem Winkel von 104,5 o angeordnet. Das zentrale Sauerstoffatom ist winklig über zwei Elektronenpaare mit den Wasseratomen verbunden und hat zusätzlich zwei nichtbindende, freie Elektronenpaare. Dadurch wirkt es wie ein Dipol mit den beiden negativen Enden an den Wasserstoffatomen und den positiven Pol am Sauerstoffatom. Zwei Wassermoleküle ziehen sich daher gegenseitig an und lagern sich zu kettenförmigen, flächigen oder dreidimensionalen Clustern zusammen. Dies führt zu einer Umverteilung der elektrostatischen Ladungen, wodurch eine komplexe elektrostatische, nicht-kovalente Wasserstoffbrückenbindung zwischen dem Sauerstoffatom des einen mit dem Wasserstoffatom des anderen Wassermoleküls gebildet wird.

Wasser ändert seinen Aggregatzustand in Abhängigkeit von der Temperatur: Flüssiges Wasser besteht aus frei beweglichen Molekülen, allerdings mit relativ starken Wechselwirkungen, was auf den Dipolcharakter zurückzuführen ist. Kühlt es ab, so bildet sich aus Wasser Eis. Eis besteht aus einem Gitter von Wassermolekülen mit sehr starken Wechselwirkungen. Wird Wasser erwärmt so entsteht Wasserdampf aus freibeweglichen Moleküle ohne Wechselwirkungen untereinander. Soweit unterscheidet sich die Chemie der Wassermoleküle nicht von der Chemie anderer Flüssigkeiten. Wasser nimmt jedoch auch hier wieder eine Sonderstellung ein. Moleküle anderer Flüssigkeiten nehmen mit sinkender Temperatur die Form einer dichten Kugelpackung ein. Wassermoleküle ordnen sich dagegen entsprechend ihrer Tetraederform bei niedrigen Temperaturen ebenfalls tetraedrisch an mit 1 Wassermolekül in der Mitte und vier Wassermolekülen in den Ecken des Tetraeders. Dieser Tetraeder nimmt mehr Volumen ein als die Kugelpackung, In gefrorenem Zustand, im Eis, kommt nur noch diese Tridymit-Struktur vor. Deswegen ist das spezifische Gewicht von Eis geringer als von flüssigem Wasser. Wasser hat seine größte Dichte bei 4o C.

Deshalb schwimmt Eis auf Wasser, und unsere Seen frieren im Winter zuerst an der Wasseroberfläche zu - eine wichtige Voraussetzung zum Schlittschuhlaufen. Und das Wasser mit der größten Dichte von 4o C sinkt bis auf den Gewässergrund, wo zahlreichen Fischarten und anderen Wassertieren damit eine gute Überwinterungschance geboten wird. Wasser nimmt also nicht nur in seiner Chemie, sondern auch für die Biologie eine wichtige Sonderstellung ein.

Als einfachstes Element des chemischen Periodensystems hat das normale Wasserstoffatom nur ein Proton und ein Elektron. Wasserstoff bildet jedoch auch Isotope, wenn auch in geringer Anzahl: Schwerer Wasserstoff (Deuterium) hat ein zusätzliches Neutron, als 1 Proton, 1 Neutron und 1 Elektron. Superschwerer, radioaktiver Wasserstoff (Tritium) hat zusätzlich noch ein zweites Neutron. Entsprechend gibt es auch schwere Wassermoleküle und superschweres Wasser, allerdings nur in sehr geringen Konzentrationen.


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