Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 27.10.15


Anomalie des Wassers

Vortrag von Philip Weber im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - PC", WS 13/14


Gliederung:


Einleitung: Jeder von uns kennt sie und keiner kann sie leiden – Schlaglöcher. Gerade wenn der Winter einsetzt und es kalt wird, tauchen sie vermehrt auf und werden damit zur Unfallgefahr für uns Fahrrad- und Autofahrer. Welches Phänomen für die Bildung dieser „Fallen“ verantwortlich ist und wie sie entstehen soll in diesem Beitrag erläutert werden.

Experiment Die Kraft des Wassers - Nachahmung der Entstehung von Schlaglöchern
Material
  • Überraschungsei
  • großes Becherglas
Chemikalien
  • flüssiger Stickstoff
  • Wasser
Durchführung Ein mit Wasser gefülltes Überraschungsei wird in flüssigen Stickstoff gegeben
Beobachtung Das gebildete Eis hat das Ü-Ei "gesprengt"
Interpretation Das Volumen des Wassers hat beim Wechsel des Aggregatzustandes von flüssig nach fest zugenommen

1 Das Wassermolekül

1.1 Der geometrische Bau

Die  H-Atome und die feien Elektronenpaare sind in die Ecken eines gedachten Tetraeders gerichtet. Da die freien Elektronenpaare viel Platz in Anspruch nehmen, ist ein idealer Tetraederwinkel von 109,5° nicht realisierbar. Daraus ergibt sich ein tatsächlichen Winkel von 104,45° zwischen den O-H Bindungen.


Abb. 1: Das Wassermolekül [2, Autor:Patrick-Emil Zörner]

1.2 Eigenschaften

Wasser verfügt über ausgeprägte Partialladungen (eine negative Polarität auf Seite des O-Atoms, positive Polaritäten auf Seiten der H-Atome), wodurch sich ein starker Dipolcharakter ergibt. Daher besitzt es auch ausgeprägte zwischenmolekulare Anziehungskräfte, welche die Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen ermöglichen. Diese lagern sich wiederum zu "Clustern" zusammen.

Als Eis: Im festen Aggregatszustand sitzen die H2O Moleküle geordnet in einem festen Verbund, der über Wasserstoffbrücken gebildet wird. Es bilden sich hexagonale Lücken, welche viel Platz in Anspruch nehmen.

Als Flüssigkeit: Im flüssigen Aggregatszustand bilden die H2O Moleküle einen lockeren Verbund, wobei nach wenigen Bruchteilen von Sekunden sich einzelne Moleküle lösen und sich wieder mit anderen Wassermolekülen neu verbinden. Dieser Vorgang wiederholt sich immer wieder, wodurch so genannte "variable" Cluster entstehen, mit ungeordneten H2O Molekülen.

Abb. 2: Geordnete Wassercluster [7] Abb. 3: Ungeordnete Wassercluster [7]

2 Die Dichteanomalie des Wassers

Wasser hat eine Dichte von circa 1 kg/l und weist die höchste Dichte (999,975 kg/m³) bei Normaldruck und ca. 4°C auf (genau: 3,98°C).

Das heißt, es dehnt sich unterhalb von 4°C bei weiterer Temperaturerniedrigung, auch beim Wechsel zum festen Aggregatszustand weiter aus, was man als unnatürliches Verhalten bezeichnen kann. Da das Wasser bei circa 4°C die höchste Dichte aufweist, ist es auch bei dieser Temperatur am schwersten. Das ist der Grund, weshalb offene Gewässer im Winter immer von oben zufrieren und Lebewesen wie Fische dadurch den Winter überleben können.


Abb. 4: Wasserschichten im Sommer/Winter [3]

Deshalb gilt: Das Volumen von Wasser ist bei 4°C am geringsten und nimmt bei Erwärmung oder Abkühlung zu.


3 Die Besonderheit im Phasendiagramm

Die Schmelzdruckkurve (fest/flüssig, hier rot eingezeichnet) hat eine negative Steigung im Gegensatz zu anderen „normalen“ Phasendiagrammen, bei denen eine positive Steigung der Koexistenzkurve (fest/flüssig, hier gestrichelt eingezeichnet) zu beobachten ist. Der Schmelzpunkt sinkt mit zunehmendem Druck, was zur Folge hat, dass das Volumen kleiner wird und die Dichte steigt. Das Eis verflüssigt sich also auch bei steigendem Druck bereits bei niedrigen Temperaturen wieder. Diesen Effekt macht man sich z.B. beim Schlittschuhlaufen zu nutzen. Die scharfen Kufen eines Schlittschuhs erhöhen den Druck auf das Eis und verflüssigen es, wodurch man dann darauf "gleiten" kann.

Eis hat damit eine kleinere Dichte als flüssiges Wasser.


Abb. 5: Das Phasendiagramm von Wasser

Diese Dichteanomalie lässt sich in einem Experiment verdeutlichen:

Experiment Eiswürfel in Wasser schwimmen, festes Wachs in flüssigem Wachs nicht
Material
  • Kerzen
  • 2 Bechergläser 400mL
  • Brenner
 
Chemikalien
  • Wasser/Eiswürfel
 
Durchführung Ein Becherglas wird mit Wasser befüllt, das andere mit flüssigem Wachs. Anschließend werden in das Becherglas mit Wasser Eiswürfel gegeben, und in das Becherglas mit Wachs eine feste Kerze.
Beobachtung Der Eiswürfel schwimmt auf dem Wasser, die Kerze taucht im flüssigen Wachs unter.
Interpretation Die Dichte des Eiswürfels ist geringer als die des flüssigen Wassers, und die Dichte der festen Kerze ist größer als die des flüssigen Wachses.

4 Andere besondere Eigenschaften von Wasser

  • es besitzt die höchste Wärmekapazität aller Flüssigkeiten
  • die größte Oberflächenspannung aller Flüssigkeiten (mit Ausnahme des Quecksilbers)
  • die größte spezifische Verdampfungsenthalpie aller Flüssigkeiten
  • eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit
  • H2O ist die einzige chemische Verbindung, die in der Natur in allen drei Aggregatszuständen vorkommt, nämlich als Eis, flüssiges Wasser und als Wasserdampf

5 Was wäre wenn Wasser "normal", also kein Dipol wäre?

Zunächst würden alle Lebewesen aussterben, da Wasser bereits bei Raumtemperatur gasförmig wäre. Dementsprechend würden auch sämtliche Landschaften austrocknen, da eventueller Regen bereits noch in der Luft verdunsten würde. Die Tiefsee würde auf Grund des hohen Drucks einfrieren, wodurch auch dort kein Leben mehr möglich wäre. Auch Mikrowellen würden nicht mehr funktionieren, was für Studenten fatal wäre (wenn sie überleben würden). Es ist also gut das sich Wasser nicht "normal" vorhält, sondern diese Anomalien besitzt.


Zusammenfassung

  1. Das Wassermolekül besitzt einen nicht ideal tetraedrisch angeordneten Molekülbau mit einem Winkel von 104,5° zwischen den Wasserstoff- und Sauerstoffatomen.
  2. Wasser ist ein Dipol und besitzt starke Wasserstoffbrückenbindungen.
  3. Diese Wasserstoffbrückenbindungen ermöglichen besondere Eigenschaften wie die Dichteanomalie (höchste Dichte des Wassers bei 4°C).
  4. Bei höherer Temperatur dehnt es sich auf Grund der Molekülbewegung und der dadurch entstehenden Bindungsbrüchen aus.
  5. Bei Temperaturen, die kleiner als 4°C sind, dehnt es sich sprunghaft von flüssig nach fest aus, da sich Eiskristalle mit fest geordneten Molekülverbänden bilden, die hexagonale Lücken auf Grund des Molekülbaus und der Wasserstoffbrückenbindungen besitzen.

Abschluss: Das Volumen nimmt also von flüssig nach gasförmig und von flüssig nach fest sogar sprunghaft zu, wodurch eine enorme Kraft entstehen kann, die in der Lage ist Gefäße oder auch Straßenasphalt regelrecht zu sprengen, wodurch Alltagsgefahren wie Schlaglöcher entstehen.


6 Literatur

  1. P.W. Atkins, J. de Paula: Kurzlehrbuch Physikalische Chemie, WILEY-VCH, 4.Auflage, Weinheim 2008
  2. http://de.wikipedia.org/wiki/Wasser [06.01.2014]
  3. http://www.klassewasser.de/content/language1/html/3653.php [06.01.2014]
  4. http://www.wissen.de/thema/anomalie-des-wassers?chunk=das-wassermolek%C3%BCl [06.01.2014]
  5. http://www2.chemie.uni-erlangen.de/projects/vsc/chemie-mediziner-neu/phasen/phasendiagramme.html [06.01.2014]
  6. http://www.wissenschaft-technik-ethik.de/wasser_dichte.html#kap03 [06.01.2014]
  7. http://www.wasserwirklichkeit.de/wasserwissen.html  [11.08.2014]

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 27.10.15