Mitschrift (Lernskript) Was sind die Eigen­schaften von Wasser und welche chemi­schen Verbin­dungen gibt es? 2.711 / ~18 Paul M. . 2013

Wasser

Seine chemischen Verbindungen und Eigenschaften

Inhalt

1. Einleitung

2. Aufbau des Wassermoleküls

3. Eigenschaften von Wasser

3.1 Optische- und Organoleptische Eigenschaften

3.2 Physikalische Eigenschaften

3.3 Chemische Eigenschaften

4. Bedeutung von Wasser

4.1 In der Natur

4.2 In der Biologie

4.3 In der Technik

5. Fazit

6. Bildanhang

7. Quellen

 

1. Einleitung

 

Wasser ist das wichtigste Lebensmittel auf der Erde und ist Grundlage allen Lebens auf der Erde. Das Leben auf unserem Planeten ist in einem Urozean entstanden. Die gesamte Evolution hat sich daher unter dem Einfluss von Wasser entwickelt. Außerdem ist Wasser fast überall enthalten zum Beispiel in den Zellen aller Organismen, auf der Erde und sogar im Weltraum ist es zu finden. Somit sind fast alle Lebensprozesse und biochemischen Vorgänge von Wasser abhängig. Zudem ist Wasser die einzige chemische Verbindung auf der Erde, die in der Natur als Flüssigkeit, als Festkörper und als Gas vorkommt. Daher wird die Bezeichnung Wasser für den flüssigen Aggregatzustand verwendet, im festen Zustand spricht man von Eis und im gasförmigen Zustand von Wasserdampf. In all diesen Formen wird Wasser von uns Menschen täglich benutzt. Wir verwenden beispielsweise Wasser zum Trinken und zum Kochen, zur Körperpflege, im Haushalt und sogar in unserer Freizeit spielt Wasser eine Rolle, wenn wir im Sommer uns im Schwimmbad vergnügen. Wasser hat also für uns eine zentrale Bedeutung.

 

2. Aufbau des Wassermoleküls

 

Wasser ist eine chemische Verbindung und besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Deshalb ist die Summenformel von Wasser H₂O. Untersuchungen im elektrischen Feld zeigen, dass das Wassermolekül gewinkelt gebaut ist:

                                                        

Bild 1: gewinkelter Bau eines Wassermoleküls

 

Das Sauerstoffatom liegt in der Mitte des Moleküls. Die beiden Wasserstoffatome sind über je eine Einfachbindung mit dem Sauerstoffatom verbunden. Sie bilden einen Winkel von ca. 105°. Jedes Wasserstoffatom ist nach außen hin positiv geladen, während das Sauerstoffatom doppelt negativ geladen ist. Daher ist das Wassermolekül nach außen hin nicht elektrisch neutral, d.h. Wasser ist ein Dipol.

Zwischen den negativen und positiven Enden der verschiedenen Wasserdipole wirken durch elektrostatische Wechselwirkungen Anziehungskräfte, die sogenannten Dipol-Dipol-Kräfte. Aufgrund der starken Elektronegativität von Sauerstoff sind die Dipol-Dipol-Kräfte bei Wasser besonders groß. Diese starken intermolekularen Anziehungskräfte zwischen den positiv polarisierten Wasserstoffatomen und dem freien Elektronenpaar am elektronegativen Sauerstoffatom von benachbarten  Wassermolekülen nennt man Wasserstoffbrücken. Diese sind für die besonderen Eigenschaften des Wassers verantwortlich.

 

                         

 

                       Bild 2: Wasserstoffbrücken zwischen Wassermolekülen

 

 

                       3. Eigenschaften von Wasser

 

Wasser hat viele verschiedene Eigenschaften:

 

Bild 3: Eigenschaften von Wasser

     3.1 Optische und Organoleptische Eigenschaften:

 

Wasser absorbiert Licht im sichtbaren Spektralbereich nur sehr schwach. Das bedeutet, dass der Imaginärteil des Brechungsindex näherungsweise 0 ist und somit wird das Wasser als transparent und farblos angesehen. Die große Lichtdurchlässigkeit des Wassers ermöglicht die Existenz von Algen und Pflanzen im Wasser, die Licht zum Leben benötigen. Wasser besitzt einen Brechungsindex von ungefähr 1,33.  Außerdem ist reines Wasser geruch- und geschmacklos.

 

 

                   3.2 Physikalische Eigenschaften:

 

                            3.2.1 Schmelz- und Siedepunkt: 

 

Wasser besitzt unter Normalbedingungen einen Siedepunkt von 100 °C und einen Schmelzpunkt von 0°C. Im Vergleich zu den anderen Hydriden von Elementen der sechsten Hauptgruppe wie  z.B. Schwefelwasserstoff oder Selenwasserstoff besitzt Wasser damit einen sehr hohen Siedepunkt und Schmelzpunkt.

 

 

Bild 4: Schmelzpunkte einfacher Wasserstoffverbindungen

 

Bild 5: Siedepunkte einfacher Wasserstoffverbindungen

 

Diese Besonderheiten ergeben sich durch den Aufbau des Wassermoleküls und dessen Wasserstoffbrückenbindungen. Diese zusätzlichen Bindungen, die bei den anderen Stoffen nicht vorkommen, müssen bei jeder Aggregatzustandsüberführung zusätzlich überwunden werden. Somit benötigt man eine höhere Energiemenge als bei den anderen Stoffen, was sich in dem vergleichsweise hohen Siede- und

Schmelzpunkt wieder spiegelt.

 

 

                        3.2.2 Dichte und Dichteanomalie:

Im Gegensatz zu den meisten anderen Flüssigkeiten hat flüssiges Wasser beim Schmelzpunkt die größere Dichte als im festen Zustand, weshalb Eis auch auf dem Wasser schwimmt. Mit zunehmender Erwärmung steigt die Dichte weiter an und erreicht unter Normaldruck bei 4°C ein Maximum. Erwärmt man das Wasser weiter, so sinkt die Dichte wieder. Dieses Verhalten bezeichnet man als die Anomalie des Wassers.

                                    

Bild 6: Zusammenhang zwischen Temperatur und Dichte von flüssigem Wasser

Die Erklärung für dieses merkwürdige Verhalten liefert die Struktur von Eis. Im Eisgitter ist jedes Sauerstoffatom tetraedrisch von vier Wasserstoffatomen umgeben. Zwei sind durch Elektronenpaarbindungen gebunden, mit den anderen beiden, etwas weiter entfernten, bildet es Wasserstoffbrücken. Diese Anordnung führt zu einem weitmaschigen Gitter mit durchgängigen Hohlräumen von sechseckigem Querschnitt, die auch die regelmäßige Form von Eis- und Schneekristallen erklärt.

                                     

                                      Bild 7: Molekulargitter von Eis

Beim Schmelzen bricht das Gitter zusammen. Die Moleküle lagern sich enger zusammen und somit nimmt die Dichte zu. Es bilden sich kleinere Bruchstücke, sogenannte Cluster, die durch Wasserstoffbrücken zusammengehalten werden. Mit wachsender Temperatur lösen sich diese Clusterschwärme auf und die Moleküle können sich noch enger zusammenlagern. Gleichzeitig nimmt aber die Raumbeanspruchung eines einzelnen Moleküls als Folge der stärker werdenden Wärmebewegung zu. Die beiden Effekte wirken einander entgegen und haben das Dichtemaximum bei 4°C zur Folge.

Im flüssigen Zustand sind die Atome nicht mehr fest an ihrem Platz angeordnet, d.h. sie brauchen durch die höhere Bewegungsenergie mehr Platz. Deshalb erhöht sich das Volumen weiter und die Dichte wird immer geringer. Im gasförmigen Zustand sind die Atome schließlich ungeordnet und bewegen sich frei im Raum herum, da die Moleküle mit steigender Temperatur immer mehr Bewegungsfreiraum benötigen. Deshalb steigt das Volumen weiter an.

Verschiedenen Faktoren beeinflussen die Dichte des Wassers:                               Neben der Wassertemperatur hängt die Dichte auch von im Wasser gelösten Stoffen ab. Diese Stoffe kann man mit einem Aräometer messen. Die gelösten Teilchen verteilen sich zwischen den Wassermolekülen. Somit nimmt das Volumen kaum zu und die Dichte steigt dadurch an. Die Zunahme der Dichte entspricht der Masse an gelöstem Stoff pro Volumen.

                3.2.3 Ökologische Bedeutung der Anomalie:

 

Für Lebewesen im Wasser ist die Anomalie des Wassers von großer Bedeutung. Bei Temperaturen um den Gefrierpunkt schwimmen die kalten Wasserschichten mit 0°C oben auf der Wasseroberfläche, da sie leichter sind als Wasser mit einer Temperatur von 4°C. Deshalb bildet sich an kalten Wintertagen bei Temperaturen unter 0°C  die Eisschicht an der Wasseroberfläche. Diese wirkt wie eine isolierende Decke über dem Gewässer. Besäße das Wasser diese Anomalie nicht, würde das kalte Wasser auf den Grund sinken. Das Gewässer würde dann vom Grund her zufrieren und somit würde das Leben im Wasser absterben.

 

                              3.2.4 Wärmeleitfähigkeit:

 

Wasser besitzt bei 20°C eine Wärmeleitfähigkeit von 0,60 W/(m·K). Im Vergleich zu anderen Flüssigkeiten besitzt Wasser eine hohe Wärmeleitfähigkeit, d.h. es besitzt ein hohes Vermögen, thermische Energie in Form von Wärme zu transportieren. Da der Wärmetransport im flüssigen Wasser durch Schwingung der Wasserteilchen stattfindet, pflanzen sich die Wärmeschwingungen über die zwischen den Wasserdipolen vorhandenen Wasserstoffbrückenbindungen besonders gut fort.

Die Wärmeleitfähigkeit von flüssigem Wasser hängt aber von der Temperatur ab und nimmt bei steigender Temperatur zu. Jedoch leitet Eis die Wärme deutlich besser als flüssiges Wasser, denn aufgrund der Gitterstruktur im Eis ist durch den engeren Zusammenhalt ein noch besserer Wärmetransport möglich.

 

 

 

 

                                   3.2.5 Viskosität:

Wasser besitzt im Vergleich zu Flüssigkeiten ähnlicher Molekülgröße eine hohe Viskosität. Viskosität bedeutet „Zähigkeit". Es ist die Eigenschaft von Flüssigkeiten, dem Fließen bzw. Bewegen einen Widerstand entgegenzusetzen. Bei Wasser beruht der Widerstand auf den Wasserstoffbrückenbindungen, die nur eine vergleichsweise langsame Bewegung der Wassermoleküle zulassen und Platzwechselvorgänge beim Bewegen verhindern. Die Viskosität des Wassers nimmt mit zunehmender Temperatur durch die abnehmende Zahl von Wasserstoffbrückenbindungen ab. Außerdem nimmt die Viskosität bei Druckerhöhung zu und wird durch gelöste Stoffe verändert.

                               3.2.6 Spezifische Wärmekapazität:

Die spezifische Wärmekapazität ist ein Maß für die Energie, die man benötigt, um 1kg Wasser um 1°C zu erwärmen. Flüssiges Wasser hat eine sehr hohe Wärmekapazität von 4187 J/(kg·K). Das bedeutet, dass man für die Erwärmung eines Kilogramms an Wasser 4,187 Kilojoule an thermischer Energie braucht. Somit kann Wasser im Gegensatz zu anderen Flüssigkeiten viel Energie aufnehmen, ohne dass dabei die Temperatur deutlich steigt. Beim Abkühlen von Wasser wird diese Energie dann wieder frei. Der hohe Wert der spezifischen Wärmekapazität lässt sich durch die zusätzliche Energiemenge, die beim Wasser für das Ãœberwinden der Wasserstoffbrückenbindungen beim Erwärmen zusätzlich aufgebracht werden muss, erklären.

Bild 8: Spezifische Wärmekapazitäten von verschiedenen Stoffen

          3.2.7 Ökologische Bedeutung der Wärmekapazität:

Die große spezifische Wärmekapazität von Wasser hat eine wichtige Bedeutung für das Klima unserer Erde. Im Sommer speichert das Meer aufgrund seiner hohen spezifischen Wärmekapazität große Energiemengen, ohne sich dabei stark zu erwärmen. Im Winter wird diese Energie dann wieder abgegeben. Deshalb ist das  Klima am Meer das ganze Jahr über ziemlich ausgeglichen und es treten nur geringe Temperaturunterschiede auf.

                          3.2.8 Oberflächenspannung:

Die hohe Oberflächenspannung ist eine weitere Eigenschaft von Wasser, die durch die intermolekularen Kräfte bewirkt wird. Die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen im Flüssigkeitsinnern heben sich zwar gegenseitig auf, jedoch ergibt sich an der Flüssigkeitsoberfläche eine resultierende Kraft, die ins Flüssigkeitsinnere gerichtet ist und die sich dadurch äußert, dass jede Flüssigkeit versucht ,ihre Oberfläche so weit wie möglich zu verkleinern. Da in Wasser die starken Wasserstoffbrückenbindungen wirken, ist das Bestreben hier besonders groß, die Oberfläche zu verkleinern. Da eine Kugel bei vorgegebenem Volumen die kleinste Oberfläche besitzt, nimmt ein Wassertropfen eine Kugelform an. Bei steigender Temperatur nimmt die Oberflächenspannung jedoch ab, da die schnelle Molekülbewegung den zwischenmolekularen Kräften entgegenwirkt.

 

                    3.3 Chemische Eigenschaften:

 

                                    3.3.1 pH-Wert:

Chemisch reines Wasser von 22 Â°C hat einen neutralen pH-Wert von 7. Jedoch reagiert chemisch reines Wasser durch geringste Verunreinigungen mit einer deutlichen pH-Wert-Änderung. Wird Wasser durch Salze verunreinigt, fällt die pH-Wert-Änderung wesentlich geringer aus als bei Verunreinigungen durch Säuren und Basen.

            3.3.2 Ökologische Bedeutung des pH-Wertes:

 

Für Lebewesen im Wasser ist der pH-Wert des Wassers von großer Bedeutung. Die meisten Lebewesen im Wasser können nur bei einem pH-Wert zwischen 5 und 9 überleben. Wenn Wasser keinen neutralen pH-Wert hätte, würden viele Lebewesen im Wasser, wie z.B. Fische, nicht Leben können und würden aussterben.

 

                                3.3.3 Wasserhärte:

Die Wasserhärte beschreibt die Konzentration der im Wasser gelösten Ionen der Erdalkalimetalle. Zu den „Härtebildnern“ zählen im Wesentlichen Calcium- und Magnesiumionen. Wasser, das eine hohe Wasserhärte besitzt, hat bei seiner Verwendung einige Nachteile, z.B. benötigt man beim Waschen mehr Seifen bzw. Waschmittel oder es bilden sich in Geräten, die mit warmem Wasser betrieben werden, starke Kalkablagerungen.

                        3.3.4 Wasser als Lösungsmittel:

Wasser ist das wichtigste Lösungsmittel. Es besitzt vor allem für anorganische Stoffe ein großes Lösevermögen. Die Stoffe besitzen in Wasser eine sehr unterschiedliche Löslichkeit. Gesteine wie zum Beispiel Kalk sind nur schwerlöslich. Metalle wie Eisen sind unlöslich. Wasser ist ein gutes Lösungsmittel für viele Salze. Trotz der hohen Gitterenergie, die für die Ionengitter der Salze kennzeichnend ist, löst Wasser die Kristalle vieler Salze auf. Nähert sich ein Wassermolekül der Oberfläche eines Ionengitters , so kommt es zu elektrostatischer Anziehung zwischen Dipolmolekül und Ion. Das Wassermolekül bewegt sich dabei beschleunigt auf das Ion zu, das gleichzeitig aus dem Gitterverband herausgezogen wird. An das so isolierte Ion lagern sich rasch weitere Wassermoleküle an und bilden die Hydrathülle.

                                  

                     Bild 9: Hydrathülle von Wasser beim Lösevorgang

Die Anlagerung von Wassermolekülen an Ionen wird Hydration genannt. Die Hydration ist ein exothermer  Vorgang. Um das Dipolmolekül wieder vom Ion zu entfernen, müsste gegen die Ionen-Dipol-Anziehungskräfte Energie verwendet werden. Die bei der Anlagerung von Wassermolekülen an ein Ion freiwerdende Energie heißt Hydrationsenergie. Sie genügt in vielen Fällen, um die hohe Gitterenergie eines Ionengitters zu überwinden. Kristallisiert ein Salz aus einer wässrigen Lösung aus, so laufen die für den Lösevorgang dargestellten Prozesse in umgekehrter Reihenfolge ab. Beim Verdampfen des Wassers werden die Hydrathüllen von den Ionen entfernt. Dann schließen sich die isolierten Ionen unter Abgabe von Gitterenergie zum Ionengitter des Salzkristalls zusammen. Manchmal wird Hydrat-Wasser mit in das Ionengitter eingebaut. Es handelt sich dabei um Kristallwasser.

                     4. Bedeutung von Wasser:

                                  4.1 In der Natur

Drei Viertel von der Oberfläche der Erde ist mit Wasser bedeckt. Erst das Vorhandensein von Wasser ermöglicht Leben. Auf der Erde ist Wasser reichlich vorhanden mit insgesamt 1,4 Milliarden Kubikkilometer. Allerdings ist das Wasser über die Erde und über das Jahr ungleichmäßig verteilt. So befindet sich an vielen Orten aus Sicht des Menschen entweder zu viel oder zu wenig Wasser.

Der Wasserkreislauf lässt Süßwasser aus den riesigen Salzwasservorräten der Ozeane entstehen und sorgt dafür, dass die Süßwasservorräte ständig erneuert werden. Der Antrieb des Wasserkreislaufes ist die Sonne. Die Sonnenstrahlung lässt Wasser aus den Ozeanen, Seen und Flüssen und dem Boden verdunsten. So gelangt das Wasser in die Atmosphäre. Durch den Wind wird der Wasserdampf in Form von Wolken über der Erde verteilt. Schließlich kühlt sich der Wasserdampf irgendwo ab. Der Dampf wird wieder flüssig und gelangt schließlich als Niederschlag (Regen, Schnee oder Hagel) wieder in Ozeane, Seen, Flüsse und in den Boden. Ein Teil des Wasser versickert und führt zur Neubildung von Grundwasser. Dabei kann das ständig fließende Wasser Gestein wie Sand und Geröll von den Bergen abtragen und ins Flachland und an die Küste transportieren. Das Wasser formt somit die Landschaft der Erde.

                  

                   Bild 10: Der Wasserkreislauf

Auf das Gebiet der Bundesrepublik Deutschland fallen im Durchschnitt pro Jahr ungefähr 200 Milliarden m³ Wasser in Form von Regen, Schnee und Hagel. Rund die Hälfte davon verdunstet wieder. Außerdem versickern knapp 25 Milliarden m³ als Grundwasser im Boden. Das in der Natur vorkommende Wasser ist nie ganz rein. Schon das Regenwasser enthält gelöste Gase. Im Boden lösen sich dann noch eine ganze Reihe verschiedener Salze. Wird Kalk oder Gips gelöst, so erhält man hartes Wasser. Zusammen mit anderen Salzen können verschiedene Mineralwässer entstehen. Aus Industrie, Landwirtschaft, Haushalten, Verkehr und öffentlichen Einrichtungen gelangen zusätzliche Verunreinigungen ins Wasser. 

                              4.2. In der Biologie

Wasser ist Grundlage alles pflanzlichen, tierischen und menschlichen Lebens. Ein erwachsener Mensch mittleren Alters besteht beispielsweise zu ca. 60 % aus Wasser. Etwa 70 % dieses, im Körper vorhandenen Wassers befindet sich im Innern der Zellen. Vor allem das Blut, das Gehirn, die Leber, die Muskelzellen und die Haut enthalten viel Wasser.

Fast alle Lebensprozesse und biochemischen Vorgänge sind von Wasser abhängig. Die meisten Biomoleküle können nur im Lösungsmittel Wasser ihre Form und Funktion entfalten. Im Wasser findet der zelluläre Transport, die Reaktionen des Stoffwechsels sowie die Übertragung der chemischen Energie statt. Wasser ist als Reaktionspartner an vielen biochemischen Reaktionen wie zum Beispiel der Photosynthese beteiligt. Durch seine physikalischen Eigenschaften regelt Wasser die Temperatur der höheren Organismen, transportiert Stoffe bis in die Kronen hoher Bäume und bestimmt durch seine hohe Wärmekapazität maßgeblich das Klima auf unserer Erde.

                               4.3 In der Technik

Die technische Bedeutung von Wasser ist sehr vielfältig. So findet Wasser Verwendung als Wärmeträger in Heizanlagen und in der Warmwasserbereitung. Wasserdampf wird außerdem zum Antrieb von Dampfmaschinen und Dampfturbinen eingesetzt. In der Industrie dient das Wasser als Prozesswasser zur Herstellung notwendig erscheinender Lebensgüter und Lebensmittel. Bei vielen technischen Prozessen wird hier das Wasser auch als Kühlmittel verwendet. Wirtschaftliche Bedeutung erlangt das Wasser beim Transport von verschiedenen Gütern mit Schiffen auf den Flüssen und Meeren der Welt. Auch durch den weltweit steigenden Bedarf an Erdöl und Erdgas kommt dem Wasser eine immer größere Bedeutung zu, denn es kann in Wasserkraftwerken zur Energieerzeugung eingesetzt werden oder es spielt bei den chemischen Vorgängen in der Brennstoffzelle eine Rolle.

 

                                       5. Fazit:

Wasser hat auf unserer Erde eine sehr große Bedeutung, denn ohne Wasser wäre hier kein Leben möglich. Da die Erdoberfäche zu ca. 75 % mit Wasser bedeckt wird, ist eigentlich auch genügend Wasser auf unserem Planeten vorhanden. Jedoch steht durch die ungleiche Verteilung der Wasservorkommen nicht allen Menschen ausreichend Wasser zur Verfügung. Außerdem wird durch den täglichen Gebrauch das Wasser immer mehr verunreinigt, sodass es für Mensch und Tier  immer problematischer wird, an sauberes Wasser zu gelangen. Deshalb wird zukünftig zur Erhaltung des menschlichen Lebens und auch des heutigen Lebensstandards eine der wichtigsten Aufgaben sein, die auf der Erde vorkommenden Trinkwasserreservoire zu schützen, die natürlichen Gewässer reinzuhalten und verschmutzte Abwässer zu reinigen bzw. aufzubereiten. Jeder Einzelne muss dazu seinen Beitrag leisten, indem er versucht Wasser einzusparen und eine unnötige Verschmutzung von Wasser vermeidet. Der maßvollere Umgang mit dem Lebensmittel Wasser muss  bei den Menschen wieder eine größere Bedeutung erlangen.

 

                 6. Bildanhang:

                                    Form eines Wassertropfens:

                            

 

                                            Gefrorenes Wasser:                                                   

                                                      

 

                                          Wasser beim Verdampfen:

                  

 

                               Verschiedene Aggregatzustände des Wassers:

                                     

 

                                            Bild von einem Eiskristall:

                  

 

                                 Wasserverbrauch pro Person an einem Tag:

             

                                     Niederschlag in Deutschland pro Jahr:

 

                 

 

                                                Verwendung von Wasser:

 

                 

 

 

 

                       7. Quellen:

 

Textquellen:

Literatur:                                                                                                                         - Chemie für Schule und Beruf, Dr.Ignatowitz, Europa Lernmittel                                  - Chemie in Versuch, Theorie u. Übung, Botsch / Höfling / Mauch, Verlag Diesterweg - Chemie auf dem Weg in die Zukunft, Christen, Verlag Diesterweg                                                                                       

Internetquellen:                                                                                                                    -            -                                                        -                                                         - -                               -                          -                                                   -      -                                  

 

Bildquellen:

-                                                               -        -                                                               -                                                            -          -          -                                                               -                                                     -                                                      -                                                                              -                                        -      -