7 seltsame Eigenschaften von Wasser

Wasser, das auf der Erde so alltäglich und reichlich vorhanden ist, ist dennoch ein fast einzigartiger Stoff: Es hat ganz erstaunliche chemische und physikalische Eigenschaften und verhält sich seltsam. Eis, flüssig oder dampfförmig: Entdecken Sie die Geheimnisse des Wassers.

Sie denken, Sie wissen alles über das H2O-Molekül? Neuere Studien haben jedoch gerade gezeigt, dass flüssiges Wasser in zwei verschiedenen Zuständen koexistieren kann! Sie haben noch nie eine Eisenstange gesehen, die auf geschmolzenem Eisen schwimmt? Eiswürfel schwimmen auf flüssigem Wasser! Kurzum, Wasser ist bei weitem nicht nur irgendeine Art von Materie.

Eis hat eine geringere Dichte als flüssiges Wasser

Während fast alle Materialien im festen Zustand dichter sind als im flüssigen, schwimmen Eisberge auf dem Meer und Eisschollen in einem Glas. Wenn ein Stoff gefriert, rücken seine Moleküle normalerweise enger zusammen. Aber Wasser hat eine Anomalie: Seine maximale Dichte wird bei 4°C erreicht und beginnt darunter zu sinken. Das bedeutet, dass sich bei gleichem Volumen weniger Moleküle in einem Eiswürfel befinden als in flüssigem Wasser, er ist also leichter.

Wasser kommt in der Natur in seinen drei Zuständen vor: flüssig, fest, gasförmig, etc.

Eis, flüssiges Wasser und Wasserdampf sind in der Natur leicht zu beobachten. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass Sie Golddampf oder Trockeneis – die feste Form von Kohlendioxid (CO2) – finden, wenn Sie nach draußen gehen! Ein Grund für diese seltsame Eigenschaft ist die besonders hohe Schmelztemperatur von Wasser: Sauerstoff allein verdampft zum Beispiel bei -183°C, aber die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen bedeuten, dass viel mehr Energie benötigt wird, um in den Dampfzustand überzugehen.

Heißes Wasser gefriert schneller als kaltes Wasser.

Stellen Sie einen mit heißem Wasser gefüllten Eiswürfelbehälter in den Gefrierschrank und Ihre Eiswürfel sind schneller fertig als mit kaltem Wasser. Für dieses seltsame Phänomen, das als „Mpemba-Effekt“ bezeichnet wird, gibt es mehrere Erklärungen. Dies könnte auf die Verdunstung zurückzuführen sein, die die Masse des Wassers reduziert und Wärme verbraucht, wodurch es abkühlt. Warmes Wasser wäre auch weniger empfindlich für den Unterkühlungseffekt, der es einer Flüssigkeit erlaubt, fest zu bleiben, auch wenn ihre Temperatur unter die Erstarrungsschwelle gesunken ist. Andere Hypothesen beruhen auf Wärmeübertragungen (Konvektionsströme wären in heißem Wasser größer) oder der Veränderung chemischer Bindungen zwischen Wassermolekülen (Schrumpfen der kovalenten Bindungen zwischen Sauerstoff- und Wasserstoffatomen).

Es gibt zwei Formen von flüssigem Wasser

Kürzlich haben mehrere Studien nahegelegt, dass flüssiges Wasser tatsächlich in zwei Formen koexistiert: Eine mit geringer Dichte, in der die Moleküle zahlreiche Wasserstoffbrückenbindungen mit ihren Nachbarn bilden und sie so auf Abstand halten, und eine andere mit hoher Dichte, in der sich die Moleküle übereinander „stapeln“ und deshalb näher zusammenrücken können. Während es relativ häufig vorkommt, dass es für ein und dasselbe Material mehrere Formen von Feststoffen gibt, ist dies bei einer Flüssigkeit viel seltener. Der einzige bisher bekannte Fall ist Helium, dessen flüssige Form Helium II an Oberflächen entlang kriechen kann!

Wasser ist ein hervorragendes Lösungsmittel

Beobachten Sie einfach, wie ein Stück Würfelzucker in Ihrem Kaffee schmilzt oder sich Salzpulver in Ihrer Pfanne auflöst, und Sie werden sehen: Wasser ist ein hervorragendes Lösungsmittel. Sie können Salz nicht in Öl oder Petroleum auflösen: Es bleibt fest am Boden des Topfes. Dieses Lösungsvermögen lässt sich durch die polare Natur des Wassers erklären, das dazu neigt, ionische Moleküle (mit positiv oder negativ geladenen Ionen) anzuziehen. Wenn beispielsweise Salz (NaCl) zu Wasser gegeben wird, dissoziieren die Wassermoleküle die Chlorid- und Natriumionen; es bildet sich eine wässrige Na+ + Cl- Lösung. In ähnlicher Weise löst Wasser andere polare Moleküle wie Zucker oder Ethanol leicht auf.

Wasser kann sowohl flüssig als auch fest sein.

Forscher haben kürzlich die Existenz von „superionischem Wasser“ nachgewiesen, einem halbflüssigen und festen Wasser, das wie ein Metall leitfähig wird. Unter sehr hohen Druck- und Temperaturbedingungen werden die Wasserstoffbrückenbindungen zerstört, so dass die Wasserstoffionen frei im Kristallgitter der Sauerstoffatome zirkulieren können, die wie „eingefroren“ organisiert bleiben. Wasser kann auch in unterkühlter Form vorliegen, wobei es bis zu Temperaturen von -48°C flüssig bleibt, bevor es bei Kontakt mit einer anderen Oberfläche plötzlich gefriert.

Wasser schrumpft, wenn es schmilzt

Die überwiegende Mehrheit der Substanzen nimmt im flüssigen Zustand – wenn die Moleküle ungeordnet sind – mehr Platz ein als im festen Zustand – wenn die Moleküle eine geordnete Struktur haben. Wasser ist ein Sonderfall: Es nimmt etwa 10% mehr Volumen ein, wenn es gefriert. Diese als „dilatometrische Anomalie“ bezeichnete Eigenart wird durch die besondere Struktur des Wassermoleküls erklärt, bei der sich die Wasserstoffbrückenbindungen zu einem hexagonalen Gitter zusammenschließen und viel Platz zwischen den Molekülen lassen.

Quellen:

• https://www.chemie.de/lexikon/Mpemba-Effekt.html
• https://de.khanacademy.org/science/biology/water-acids-and-bases/hydrogen-bonding-in-water/a/water-as-a-solvent