Wasser und seine Besonderheiten

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Anomalie des Wassers

Wasser zeigt im Gegensatz zu den meisten anderen chemischen Verbindungen Besonderheiten in seiner Dichte bei Temperaturveränderung. So hat es bei 4°C seine größte Dichte von 1,000 g/cm³. Beim Erwärmen sowie beim Abkühlen des Wassers nimmt dessen Dichte ab. Besonders groß ist der Effekt beim erstarren des Wassers (bei 0°C). Dabei dehnt sich Wasser um 1/11 seines Volumens aus und somit weißt der Feststoff eine geringere Dichte als seine Flüssigkeit auf. Der Grund für diese Besonderheit ist die Fähigkeit des Wassers Wasserstoffbrückenbindungen auszubilden. Dabei treten die positiv polarisierten Wasserstoffatome des Wassermoleküls in Wechselwirkung mit dem negativ polarisierten Sauerstoffatom eines benachbarten Moleküls.

Wasserstoffbrückenbindungen können nur bei Wasserstoffverbindungen auftreten, welche ein sehr stark elektronegatives Element wie Fluor, Stickstoff oder Sauerstoff enthalten.

Gefriert Wasser, so bildet es ein Molekülgitter aus, dessen Bindungskräfte im Wesentlichen aus Wasserstoffbrückenbindungen bestehen. In einem Wassermolekülgitter sind zahlreiche Hohlräume enthalten, so dass die Moleküle im Gitter mehr Platz einnehmen als im flüssigen Zustand.

Erwärmt man das Eis solange bis es langsam wieder schmilzt, so bleiben Assoziate (Assoziate sind zusammenhängende Moleküle) übrig, welche durchschnittlich aus 112 tetraedrisch geordneten Wassermolekülen bestehen. Diese Assoziate können sich dichter zusammenlagern als das feste Wasser und somit besitzt flüssiges Wasser bei 0°C eine höhere Dichte als der Feststoff. Bei weiterem Erwärmen des Wassers brechen die Assoziate auseinander und die Wassermolekülen zeigen keine tetraedrische Anordnung mehr. Die Dichte des Wassers nimmt bis 4°C weiter zu, da die kleineren Assoziate sich immer dichter aneinander lagern können. Ab einer Temperatur von 4°C wird dieser Effekt durch die Eigenbewegung des Wassers ausgeglichen und die Dichte nimmt wieder mit zunehmender Molekularbewegung (und steigender Temperatur) ab.

Die Dichteanomalie des Wassers ermöglicht in der Natur das Fortbestehen der Tier- und Pflanzenwelt.

Wasser als Lösemittel

Für viele Substanzen ist Wasser ein ausgezeichnetes Lösungsmittel. Vor allem für ionische Verbindungen wie Salze bietet sich Wasser als Lösemittel an. Beim Lösevorgang werden die kleinsten Teilchen (Ionen oder Moleküle) aus dem Gitterverband des Feststoffs gelöst. Das Lösen einer Verbindung erfordert Energie, welche dem Wasser in Form von Wärme entzogen wird.

In der Praxis ist jedoch zu beobachten, dass bei vielen Lösevorgängen die Temperatur zum Teil erheblich ansteigt. Aus dieser Beobachtung ist zu schließen, dass zwischen Lösemittel und gelöstem Stoff eine Wechselwirkung herrscht, welche Energie liefert.

In Wasser lösen sich vor allem Salze gut. Die Salzgitter werden durch elektrostatische Wechselwirkungen der Ionen zusammengehalten. Die aus einem Ionenverband gelösten Teilchen treten mit den entgegengesetzt geladenen Enden der Wasserdipole in Wechselwirkung. Die gelösten Ionen werden mit mehreren Wassermolekülen umlagert, wobei Energie frei wird. Man bezeichnet den Vorgang auch als Hydratation und die freigesetzte Energie als Hydratationsenergie.

Beim Lösen eines Feststoffs in Wasser finden somit zwei Vorgänge gleichzeitig statt:

a)      der endotherme Gitterabbau

b)      die exotherme Hydratation

Erfordert der Gitterabbau mehr Energie als bei der Hydratation der Teilchen frei wird, so kühlt sich das Wasser ab. Im anderen Fall wird sich das Wasser erwärmen.

Die Lösungseigenschaften des Wassers sind stoffspezifisch. Es gibt Substanzen die sich bei Raumtemperatur gut, mäßig oder kaum lösen lassen. Eine wässrige Lösung in der kein weiterer Feststoff gelöst werden kann wird als gesättigt bezeichnet. Ein Überschuss eines Feststoffs wird sich als Bodensatz abscheiden.

In den meisten Fällen nimmt die Löslichkeit einer Substanz mit steigender Temperatur zu. Die Löslichkeit wird in Gramm pro 100g Lösemittel angegeben.

 

Löslichkeit von Flüssigkeiten

Auch die Löslichkeit von Flüssigkeiten in Wasser ist stoffspezifisch. Flüssigkeiten wie Ethanol lassen sich in jedem Verhältnis mit Wasser mischen. Bei Verbindungen wie Trichlormethan (Chloroform) lässt sich nur ein bestimmter Anteil lösen, der Überschuss lagert sich je nach Dichte unterhalb oder oberhalb der Wasserschicht ab.

Einige Flüssigkeiten lassen sich unter Wärmeentwicklung in Wasser lösen. Beim Lösen von Schwefelsäure besteht sogar Überhitzungsgefahr (Vorsicht! Verspritzungsgefahr).

Lösung von Gasen

In Wasser lassen sich jedoch nicht nur Feststoffe und andere Flüssigkeiten lösen, sondern auch Gase. Man nennt diesen Vorgang auch Absorption. Die Absorption von Gasen in Wasser ist von der Temperatur und vom herrschenden Druck abhängig. Bei steigendem Druck nimmt die Löslichkeit von Gasen zu, bei steigender Temperatur nimmt sie ab.

 

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