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29.11.2022

17.11.2022

Wasser - eine wunderbare Verbindung

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Wasser
Bild: PxHere [CCO]
Ohne Wasser kein Leben - das ist wahrscheinlich jedem bewusst. Dass es sich bei Wasser nicht nur um die essenzielle Grundlage allen Lebens auf unserem Planeten, sondern um eine sehr besondere Verbindung handelt, darüber machen sich deutlich weniger Menschen Gedanken.

Bis zum Ende des 18. Jahrhunderts glaubten die Wissenschaftler, dass Wasser ein Elementarstoff sei. Erst im November 1783 gelang es Antoine Lavoisier durch zahlreiche Versuche mit den kurz zuvor entdeckten Gasen Sauerstoff und Wasserstoff, Wasser erstmals zu synthetisieren.

Mit seiner These "Die Verbrennung der beiden Luftarten und ihre Umwandlung zu Wasser, Gewichtsteil für Gewichtsteil, erlaubt kaum noch Zweifel daran, dass diese Substanz, die bislang als Element betrachtet wurde, ein zusammengesetzter Stoff ist." brachte Lavoisier die vorherrschende wissenschaftliche Denkweise, dass Luft und Wasser unzerstörbare Elemente seien, ins Wanken.

Nur wenige Jahre später, 1799, stellte Alessandro Volta seine Volta'schen Säule - die erste brauchbare Batterie - vor und 1800 bewies der Elektro-Chemiker William Nicholson gemeinsam mit dem Chirurgen Anthony Carlisle, dass bei Anwendung der Volta'schen Säule aus Wasser die Gase Wasserstoff und Sauerstoff im Verhältnis 2:1 entstehen, was zur Aufklärung der chemischen Formel des Wassers führte: H2O.

Dipol Wasser
Wasser als Dipol-Molekül [CCO]
Deutlich später, erst nach den Forschungen über den Aufbau von Atomen durch Rutherford, Bohr und anderen, gewann man weitere Erkenntnisse über das Wassermolekül, durch die auch die besonderen Eigenschaften der Verbindung erkläret werden können: Aufgrund der räumlichen Anordnung der Atome im Molekül und der großen Differenz der Elektronegativität der Atome ist das Wassermolekül ein Dipol.

"Dipol" bedeutet, dass das Molekül zwei Pole, also eine positive und eine negative Seite hat - ähnlich wie ein aus dem Sachkundeunterricht bekannter rot-grüner Stabmagnet. So wie bei den Stabmagneten ziehen sich auch beim Wassermolekül die gegensätzlich geladenen Pole an, die gleich geladenen stoßen sich ab.

Dem versierten Leser ist aus der Schulzeit möglicherweise noch bekannt, dass sich Moleküle um so schneller bewegen, je wärmer es wird. Im Umkehrschluss werden die Bewegungen also langsamer, wenn es kälter wird. Das gilt so lange, bis eine Temperatur erreicht ist, bei der sie sich nicht mehr bewegen können und erstarren. Beim Wasser ist dieser Zustand bekanntermaßen bei 0° C erreicht. Durch die Anordnung der Atome im Molekül und den Dipolcharakter bilden sich beim Abkühlen von Wasser regelmäßige Sechsecke mit großen Hohlräumen aus.

Diese Hohlräume sind dafür verantwortlich, dass sich Wasser beim Einfrieren ausdehnt - was jeder, der schon mal eine "kurz kaltgestellte" Getränkeflasche im Gefrierfach vergessen hat, feststellen konnte. Viel wichtiger als das Ausdehnen ist aber das durch die Hohlräume verursachte Phänomen, dass Wasser im festen Aggregatzustand (umgangssprachlich Eis) eine geringere Dichte hat, als im flüssigen Zustand. Was so physikalisch daherkommt, ist ganz einfach mit einem Eiswürfel im Getränk zu beweisen: Der Eiswürfel schwimmt bekanntlich und geht nicht unter. Er hat also eine geringere Dichte, als das Getränk.

Fast alle anderen bekannten Stoffe und Verbindungen haben im festen Zustand eine höhere Dichte, als im flüssigen. Das können Sie feststellen, wenn Sie ein Stück Butter zu bereits geschmolzener hinzufügen oder ein Stück festes Kerzenwachs im flüssigen versenken. Glücklicherweise ist es bei Eis und Wasser eben nicht so - sonst würden Gewässer nämlich vom Grund aus hin zur Oberfläche zufrieren. Das fänden vermutlich besonders die Fische ziemlich unpraktisch. Nur weil Gewässer von oben nach unten vereisen statt umgekehrt, war es möglich, dass sich zu Urzeiten in den Meeren - auch unter einer dicken Eisschicht - Leben in der Form entwickeln konnte, wie wir es heute kennen.

Wasser ist außerdem ein hervorragendes Lösemittel für eine Vielzahl von Verbindungen. Unser Körper besteht gut zur Hälfte aus Wasser, Blut sogar zu 90 Prozent. Darin sind wichtige Mineralien und Spurenelemente gelöst, die wir für unsere Gesundheit benötigen und die vom Blut und anderen wässrigen Lösungen überall dorthin transportiert werden, wo der Körper sie verarbeiten kann.

Das Wasser ist der Ursprung von allem.
Thales von Milet (um 625-545 v.Chr.)
soll der griechische Philosoph und Mathematiker Thales von Milet gesagt haben. Damit hat er vollkommen recht, denn nicht nur wir Menschen brauchen Wasser zum Leben. Genauso wichtig ist der Wasserkreislauf für die gesamte Natur. Sauberes Wasser, egal ob als Lebensmittel, Grundwasser oder Lebensraum, ist und bleibt die Grundlage für einen lebenswerten Planeten. Dies vergessen wir scheinbar allzu oft, wenn man die unzähligen Berichte über verseuchte Flüsse, nitratbelastetes Grundwasser und mit (Mikro)Plastik verschmutzte Meere liest.

Die Herstellung von Wasser aus den Elementen Wasserstoff und Sauerstoff ist heute als Knallgasreaktion bekannt, da das Wasser durch eine explosionsartige Reaktion beider Gase entsteht. Mit einer solchen Explosion - sozusagen dem Big-Bang der Wasserchemie - versuchte 1783 auch Lavoisier die Zeitgenossen von seiner Theorie zu überzeugen. Nehmen wir die vor mehr als 200 Jahren erfolgte Vorstellung dieser wunderbaren Verbindung doch zum Anlass, uns ihre Besonderheit und Bedeutung bewusst zu machen.

» Mehr über die Dichteanomalie des Wassers

» Über Antoine Lavoisier

» Knallgasreaktion - Experimente mit Wasserstoff und Sauerstoff

Autor: Anke Fähnrich


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