Wasser ist nicht eine Flüssigkeit, sondern zwei

Wasser ist die häufigste und zugleich ungewöhnlichste Substanz der Welt.

Geschrieben von | Qu Lijian

Es gibt viele „seltsame“ Dinge in unserer Welt, wie Quanten, schwarze Löcher, dunkle Materie, dunkle Energie, den Ursprung des Universums und so weiter. Diese Dinge sind etwas weit weg von unserem Alltag. Es gibt jedoch Dinge in unserem täglichen Leben, die genauso seltsam sind wie diese Dinge, nämlich Wasser.

Seltsames Wasser

Wasser ist zwar alltäglich, wissenschaftlich gesehen jedoch die seltsamste Flüssigkeit. Einige Wissenschaftler haben mindestens 66 ungewöhnliche Eigenschaften des Wassers aufgelistet. Viele dieser seltsamen Eigenschaften zeigen sich in speziellen wissenschaftlichen Experimenten, einige lassen sich jedoch leicht demonstrieren.

Wenn Sie ein Stück Eis (festes Wasser) in kaltes flüssiges Wasser fallen lassen, werden Sie feststellen, dass das Eis auf der Oberfläche schwimmt, da Eis eine geringere Dichte als flüssiges Wasser hat. Das ist das Seltsame. Wenn eine Flüssigkeit zu einem Feststoff kondensiert, erhöht sich im Allgemeinen ihre Dichte, da die Atome oder Moleküle im Feststoff dichter angeordnet sind als in der Flüssigkeit.

Wenn der See gefriert, messen Sie mit einem Thermometer die Wassertemperatur in verschiedenen Tiefen. Die Temperatur an der Wasseroberfläche beträgt 0 °C, während die Temperatur am Grund des Sees 4 °C beträgt. Dies liegt daran, dass die Dichte von Wasser bei 4 °C am höchsten ist.

Die Dichte von flüssigem Wasser ist größer als die von Eis und seine Dichte am Gefrierpunkt ist geringer als seine Dichte bei einer etwas höheren Temperatur. Andernfalls würden Seen und Flüsse von unten nach oben zufrieren und Wasserorganismen hätten Schwierigkeiten zu überleben. Dies hat bedeutende Auswirkungen auf das Leben, ganz zu schweigen von ihrer Fähigkeit, viele der langen Eiszeiten der Geschichte zu überstehen.

Die Dichte von Wasser bei verschiedenen Temperaturen. Quelle: CRC-Handbuch für Chemie und Physik

Die Temperatur des Seegrundes beträgt 4°C. Bildquelle: https://wtamu.edu/~cbaird/sq/images/lake_temp.png

Um die Temperatur von Wasser auf ein bestimmtes Niveau zu erhöhen, muss dagegen überraschend viel Wärme aufgenommen werden als bei gewöhnlichen Flüssigkeiten. Leser, die häufig kochen, haben die Erfahrung gemacht, dass Öl schneller heiß wird als Wasser. Es ist logisch, dass Wasser ein hervorragender Wärmeabsorber ist. Wäre dies jedoch ein schlechter Absorber, würden selbst die geringsten Klimaveränderungen die Ökosysteme zerstören.

Wasser dehnt sich aus, wenn es gefriert, zieht sich jedoch zusammen, wenn es schmilzt. Wasser kann mindestens 17 Arten von Kristallen bilden – also Eis.

Später in diesem Artikel werden wir noch einige weitere seltsame Eigenschaften des Wassers auflisten.

Wir sollten für die seltsamen Eigenschaften des Wassers dankbar sein. Andernfalls gäbe es möglicherweise kein komplexes Leben und wir hätten nicht die Möglichkeit, diesen Artikel zu lesen und die Magie des Wassers zu erleben.

Warum verhält sich Wasser seltsam?

Wenn Wissenschaftler über Probleme nachdenken, nehmen sie im Allgemeinen eine reduktionistische Denkweise ein und glauben, dass die Eigenschaften der Materie auf ihrer Struktur beruhen.

Wie ist also die Struktur von Wasser?

Eine Geschichte von zwei Gewässern

Die Geschichte reicht bis ins Jahr 1976 zurück.

Austen Angell und Robin Speedy von der Purdue University in den USA kühlten Wasser ab, um zu sehen, wie tief der Wasserstand sinken konnte.

Sie fragen sich vielleicht, ob die Temperatur nicht gefrieren würde, wenn sie auf 0 °C fällt?

Nicht unbedingt. Wenn der Behälter sehr sauber und das Wasser sehr ruhig ist, bleibt es unter 0 °C flüssig. Dies wird als „unterkühltes Wasser“ bezeichnet.

Eine Flasche mit unterkühltem Wasser gefriert schnell, wenn sie gestört wird. Bildquelle: Basierend auf Youtube-Video

Angell und Speedy bemerkten etwas Merkwürdiges: Die Dichte des unterkühlten Wassers wurde ungleichmäßiger, als die Temperatur sank. Als allgemeine Regel gilt: Je niedriger die Temperatur, desto gleichmäßiger sollte die Dichte des Wassers sein.

Was ist im Wasser passiert?

Aufgrund der damaligen Einschränkungen der Versuchsbedingungen war es nicht möglich, detailliertere Informationen zu erhalten.

Im Jahr 1992 führten Peter Poole und Gene Stanley von der Boston University in den USA eine Computersimulationsstudie zum Thema Wasser durch (Nature 1992, 360, 324–328), bei der sie im Experiment ähnliche Phänomene reproduzierten. Noch wichtiger ist, dass durch Computersimulationen verschiedene Eigenschaften des Systems und sogar die spezifische Bewegung von Molekülen berechnet werden können.

Anhand ihrer Computersimulationen stellten Poole und Stanley fest, dass sich unterkühltes Wasser sehr ähnlich verhält wie normales Wasser, das sich in Dampf verwandelt. Unter bestimmten besonderen Bedingungen kann die Dichteverteilung von normalem Wasser extrem ungleichmäßig werden. Nachfolgend stellen wir kurz den Prozess der Umwandlung von Wasser von flüssig in gasförmig vor.

Die Trennlinie zwischen Gas und Flüssigkeit – die Verdampfungslinie. Bildquelle: „Wunder am Rande: Phasenübergang und kritisches Phänomen“

Wie in der obigen Abbildung gezeigt, bleibt der Flüssigkeitsdruck bei P0 und die Temperatur steigt, d. h. der flüssige Zustand bewegt sich entlang der Linie LQ in der Abbildung. Beim Erreichen des Punktes Q beginnt ein Teil der Flüssigkeit zu verdampfen, d. h., sie verwandelt sich in Gas. Obwohl zu diesem Zeitpunkt weiter geheizt wird, steigt die Temperatur nicht mehr an, sondern bleibt bei T0. Die Temperatur steigt entlang QG weiter an, bis die gesamte Flüssigkeit zu Gas wird. Durch die Durchführung von Experimenten unter verschiedenen Drücken können wir eine Reihe von Punkten erhalten, an denen Gas und Flüssigkeit koexistieren. Durch Verbinden dieser Punkte erhalten wir eine Kurve – die Verdampfungslinie.

Wenn die Temperatur oder der Druck weiter ansteigen, wird sich die Verdampfungslinie dann weiter verlängern oder an einem bestimmten Punkt stoppen?

Experimente haben ergeben, dass die Verdampfungslinie einen Endpunkt hat, den so genannten kritischen Punkt. Dieser Punkt ist in der Abbildung unten dargestellt.

Die Verdampfungslinie hat einen Endpunkt, der den kritischen Punkt darstellt. Bildquelle: „Wunder am Rande: Phasenübergang und kritisches Phänomen“

Befindet sich die Substanz jenseits des kritischen Punktes in einem gasförmigen oder flüssigen Zustand?

Diese Frage ist bedeutungslos, da jenseits des kritischen Punktes kein Unterschied zwischen Gas und Flüssigkeit mehr besteht. Durch die Durchführung des Experiments entlang der gestrichelten Linie in der Abbildung kann die Substanz kontinuierlich vom flüssigen in den gasförmigen Zustand wechseln.

In der Nähe des kritischen Punktes des Phasenübergangs Gas-Flüssigkeit ist die Dichteverteilung außerdem äußerst ungleichmäßig. Ein damit verbundenes experimentelles Phänomen ist die kritische Opaleszenz, die in der folgenden Abbildung dargestellt ist. (Anmerkung des Herausgebers: Siehe „Der 200. Jahrestag des kritischen Phänomens: Wer hat dieses physikalische Phänomen zuerst entdeckt?“)

Wenn erhitzter Ethanol mit Licht bestrahlt wird, zeigt Abbildung 1 die Koexistenz von Gas und Flüssigkeit, und Abbildung 2 zeigt das kritische Opaleszenzphänomen, d. h. das von der Substanz gestreute Licht ist weiß. Dies zeigt, dass auf einer Skala, die so klein ist wie die Wellenlänge des Lichts, die Dichte der Substanz ungleichmäßig ist und die Substanz undurchsichtig wird und trüb erscheint. Abbildung 3 zeigt eine überkritische Flüssigkeit. Bildquelle: Wikipedia

Im Allgemeinen existiert Materie in drei Zuständen: gasförmig, flüssig und fest. In der Physik wird jedoch häufiger der Begriff „Phase“ als „Zustand“ verwendet.

Es gibt viel mehr Arten von „Phasen“ der Materie als die Arten von „Zuständen“, auf die allgemein Bezug genommen wird. Das heißt, es kann viele verschiedene „Phasen“ geben, die demselben Zustand entsprechen. Beispielsweise ist der feste Zustand von Wasser Eis, doch Eis kann auf viele verschiedene Arten kristallisieren, entsprechend den unterschiedlichen „Phasen“.

Als Phasenwechsel bezeichnet man den Übergang von Materie von einer Phase in eine andere. Der Wechsel von Wasser vom flüssigen Zustand (oder der flüssigen Phase) zum gasförmigen Zustand (oder der gasförmigen Phase) ist ein Phasenwechsel.

Kehren wir zum Experiment von Poole und Stanley zurück. Durch Computersimulationen fanden sie heraus, dass die Dichte von unterkühltem Wasser ab einer bestimmten Temperatur extrem ungleichmäßig wird, was der Situation nahe dem kritischen Punkt des Phasenübergangs von der Gasphase in die Flüssigkeit sehr ähnlich ist. Poole und Stanley stellten sich daher vor, dass es einen kritischen Punkt gäbe, an dem auch unterkühltes Wasser einen Phasenwechsel durchlaufen könnte, bei dem die beiden Phasen Wasser mit geringer Dichte und Wasser mit hoher Dichte wären.

Die Hypothese von Poole und Stanley wurde durch nachfolgende Simulationsergebnisse genauerer Wassermodelle gestützt. Sie zeigten, dass ihre Vermutung zuverlässig war, d. h. dass unterkühltes Wasser neben dem kritischen Punkt der Verdampfungslinie auch einen kritischen Punkt hat.

Unterkühltes Wasser durchläuft einen Phasenübergang zwischen hoher und niedriger Dichte, ähnlich dem Gas-Flüssigkeits-Phasenübergang von normalem Wasser. Beachten Sie, dass in dieser Abbildung die vertikale Achse die Temperatur und die horizontale Achse den Druck darstellt. Bildquelle: Chemistry World

Kann dieser kritische Punkt experimentell festgestellt werden?

Es ist schwierig. Der kritische Punkt liegt bei -45 °C. Bei solch niedrigen Temperaturen kann Wasser leicht gefrieren.

Viele herausragende Forschungsgruppen weltweit forschen seit 26 Jahren. In den Jahren 2017 und 2018 bestätigten zwei unabhängige und aufwändige Experimente (Science 2017, 358, 1589; Science 2018, 359, 1127), dass der zweite kritische Punkt existiert und dass unterkühltes Wasser unter geeigneten Bedingungen einen Phasenwechsel durchlaufen kann, d. h., es gibt zwei Strukturen von Wasser.

Um welche Art von Struktur handelt es sich genau?

Professor Anders Nilsson von der Universität Stockholm in Schweden und seine Mitarbeiter haben diesbezüglich systematische Arbeit geleistet. Wir werden ihre Schlussfolgerungen direkt vorstellen.

Ein Wasser, zwei Strukturen

Die Struktur des Wassers wird durch die Wechselwirkungen zwischen Wassermolekülen bestimmt.

Ein Wassermolekül besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Die beiden Wasserstoffatome sind fest mit den Sauerstoffatomen verbunden und bilden eine V-förmige Struktur. Die Bindungsmethode zwischen ihnen wird von Chemikern als „kovalente Bindung“ bezeichnet.

Sauerstoffatome und Wasserstoffatome werden durch kovalente Bindungen zu Wassermolekülen verbunden. Bildquelle: Science Popularization China

Das Wassermolekül ist als Ganzes elektrisch neutral, die Ladungsverteilung innerhalb des Moleküls ist jedoch ungleichmäßig, wobei das Sauerstoffatom leicht negativ und die beiden Wasserstoffatome leicht positiv geladen sind. Wenn sich das Sauerstoffatom in einem Wassermolekül und das Wasserstoffatom in einem anderen Wassermolekül nahe kommen, entsteht zwischen den beiden Wassermolekülen eine Anziehungskraft, ein Effekt, den Chemiker als „Wasserstoffbrückenbindung“ bezeichnen.

Bildung von Wasserstoffbrücken zwischen Wassermolekülen. Bildquelle: Science Popularization China

Wasserstoffbrücken sind viel schwächer als kovalente Bindungen und können leicht aufgebrochen werden. Jemand sagte anschaulich: „Wasserstoffbrücken sind wie zwei Menschen, die sich an den Händen halten, die man auseinanderziehen oder trennen kann. Kovalente Bindungen verbinden Ihre eigenen Hände und Füße, die nicht getrennt werden können.“

Auf der Grundlage ihrer experimentellen Ergebnisse schlug Nilsson vor, dass sich Wassermoleküle unter dem Einfluss von Wasserstoffbrücken auf zwei Arten anordnen können, entweder in einer geordneten tetraedrischen Anordnung oder in einer zufälligen ungeordneten Anordnung, wodurch jeweils Wasser mit geringer Dichte und Wasser mit hoher Dichte entsteht.

Wasser hat zwei Strukturen. Bildquelle: New Scientist

Die obige Theorie kann viele abnormale Eigenschaften von Wasser erklären. Hier sind einige Beispiele.

Die richtige Antwort ist abnormal

• Eis hat eine geringere Dichte als Wasser.

Die Anordnung der Wassermoleküle im Eis ist die gleiche wie in Wasser geringer Dichte, also eine tetraedrische Struktur, während es auch Wasser hoher Dichte mit ungeordneter Struktur im Wasser gibt. Daher ist die durchschnittliche Dichte von Wasser größer als die Dichte von Eis.

• Wasser hat bei 4 °C die höchste Dichte.

Bei 0 °C liegen Wassermoleküle eher in einer geordneten Phase mit tetraedrischer Struktur vor, d. h., es dominiert Wasser mit geringer Dichte. In extremen Fällen, wenn überhaupt kein ungeordnetes Wasser hoher Dichte vorhanden ist, gefriert flüssiges Wasser zu Eis. Mit steigender Temperatur wird die unregelmäßige thermische Bewegung der Moleküle heftiger, die geordnete Struktur wird schwächer und Wasser mit hoher Dichte wird dominanter, d. h. die Dichte des Wassers nimmt zu. Wenn die Temperatur jedoch über 4 °C steigt, führt die molekulare Wärmebewegung dazu, dass der Abstand zwischen den Wassermolekülen mit steigender Temperatur zunimmt und die Dichte des Wassers abnimmt.

Die Moleküle befinden sich ständig in unregelmäßiger thermischer Bewegung. Je höher die Temperatur, desto heftiger ist die thermische Molekularbewegung und desto schwieriger ist es, eine geordnete Struktur aufrechtzuerhalten. Bildquelle: www.tec-science.com.

• Die spezifische Wärmekapazität von Wasser ist deutlich größer als die der meisten Flüssigkeiten.

Durch Erhitzen erhöht sich die Temperatur einer Substanz um einen bestimmten Betrag, Wasser benötigt jedoch mehr Wärme als andere Flüssigkeiten, d. h. seine spezifische Wärmekapazität ist größer, da Wasser einen Teil der Wärme benötigt, um die tetraedrische Struktur von Wasser mit geringer Dichte zu zerstören.

• Die spezifische Wärmekapazität von Wasser nimmt mit zunehmender Temperatur zunächst ab und dann zu, wobei sie bei 35 °C einen Minimalwert erreicht, während die spezifische Wärmekapazität der meisten Flüssigkeiten mit zunehmender Temperatur weiter zunimmt.

Zwischen 0 und 35 °C führt die steigende Temperatur dazu, dass die Tetraederstruktur im Wasser kontinuierlich zerstört wird, was die ungeordnete Bewegung der Wassermoleküle erleichtert; mit steigender Temperatur wird die tetraedrische Struktur immer weniger und die Fähigkeit des Wassers, Wärme aufzunehmen, scheint abzunehmen. Wenn die Temperatur 35 °C erreicht, wird die Tetraederstruktur im Wasser vollständig zerstört und die spezifische Wärmekapazität des Wassers beginnt sich wie die von gewöhnlichen Flüssigkeiten zu verhalten.

Spezifische Wärmekapazität von Wasser und Temperatur. Quelle: Lawrence Berkeley National Laboratory

• Die Kompressibilität von Wasser – das Verhältnis des reduzierten Volumens zum ursprünglichen Volumen nach Druckeinwirkung – nimmt mit zunehmender Temperatur zunächst ab und dann zu und erreicht bei 46 °C ein Minimum, während die Kompressibilität der meisten Flüssigkeiten mit zunehmender Temperatur weiter zunimmt.

Mit steigender Temperatur lässt sich Wasser vor 46°C immer schwerer komprimieren, da die Struktur von Wasser mit geringer Dichte nach und nach zerfällt und der Anteil von Wasser mit hoher Dichte immer höher wird. Ab einer Temperatur von 46 °C befindet sich im Wasser fast nur noch ungeordnetes Wasser hoher Dichte, das sich wie eine gewöhnliche Flüssigkeit verhält und sich bei steigender Temperatur leichter komprimieren lässt.

Die spezifische Wärmekapazität spiegelt die Änderung der Anzahl der Mikrostrukturen wider und die Kompressionsrate spiegelt die Dichte der Molekülstapelung wider. Es ist normal, dass ihre Mindestwerte nicht bei der gleichen Temperatur liegen.

• Wasser lässt sich schwerer komprimieren als die meisten Flüssigkeiten.

Dies ist auf die starke Anziehung zwischen Wassermolekülen zurückzuführen, die durch Wasserstoffbrücken entsteht, insbesondere bei Wasser mit hoher Dichte.

• Wassermoleküle diffundieren unter hohem Druck leichter.

Hoher Druck kann die geordnete Tetraederstruktur zerstören. Je ungeordneter die Anordnung der Wassermoleküle ist, desto leichter können sie diffundieren.

• Wasser dehnt sich bei Erwärmung und Druck aus und dehnt sich noch weiter aus …

Durch den Druck wird das Wasser ungeordneter und neigt daher zur Ausdehnung.

Es werden keine ungewöhnlicheren Eigenschaften des Wassers aufgeführt, um sie zu erklären. Kurz gesagt, es gibt zwei Möglichkeiten, Wassermoleküle anzuordnen. Diese Theorie steht im Einklang mit Experimenten und kann die anomalen Eigenschaften von Wasser schlüssig erklären.

Das Geheimnis der seltsamen Eigenschaften des Wassers begann ans Licht zu kommen, nur dass es das Wasser dadurch noch seltsamer machte.

Hauptreferenzen

New Scientists, 2018, 238, 3180, 26-29

New Scientists, 2010, 205, 2746, 32-35

Chem. Rev. 2016, 116, 7463−7500

Die Merkwürdigkeit des Wassers https://www.chemistryworld.com/features/the-weirdness-of-water/4011260.article

Physik Heute, 2017, 70, 18-21

Physik, 2010, 39, 79-84

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