Wasser

Synonyme

  • Aqua [lat.], Wasserstoffoxid, Water [engl.]

Übersicht

Physik

Definition

  • Reines Wasser ist eine geruch- und geschmacklose, klare, durchsichtige, in dünner Schicht farblose, in Schichten von 5 bis 8 m deutlich blaue Flüssigkeit, welche definitionsgemäß bei 0 °C zu Eis erstarrt und bei 100 °C unter Bildung von Wasserdampf siedet.

Eigenschaften

Dampfdruck

  • Die Dampfdruckkurve des Wassers endet bei der kritischen Temperatur von 647,3 K (374,1 °C) und dem kritischen Druck von 221,4 bar (218,5 at) (kritische Dichte: 0,324 g/cm3), da bei höheren Temperaturen bzw. Drücken flüssiges und gasförmiges Wasser identische Eigenschaften besitzen.

Dichte und Dichteanomalie

  • Die relative Dichte bei 4 °C beträgt per Definition 1,0000. Sie nimmt unter- und oberhalb dieser Temperatur ab (Dichteanomalie des Wassers).
    • Beim Übergang vom flüssigen in den festen Zustand (Gefrieren) dehnt sich Wasser im Unterschied zu den meisten anderen Flüssigkeiten unter Abnahme der Dichte aus. Die relative Dichte von Eis bei 0 °C beträgt 0,9168, die flüssigen Wassers bei der gleichen Temperatur 0,9999 g/cm3, so dass 1 Raumteil flüssiges Wasser 1,0906 Raumteile Eis ergibt.

      • Dies erklärt auch, warum Eis auf der Oberfläche von flüssigem Wasser schwimmt.

Struktur von Eis

  • Die Ausdehnung des Wassers beim Gefrieren ist darauf zurückzuführen, dass Eis ein weitmaschiges, von Hohlräumen durchsetztes Kristallgitter darstellt.
  • Gewöhnlich bildet sich eine β-Tridymit-Struktur oder das sogenannte Wurtzit-Gitter; es sind jedoch bereits 9 verschiedene Modifikationen bekannt.

Struktur flüssigen Wassers

  • Im flüssigen Zustand ist die im Eis vorliegende Kristallstruktur weitgehend zerstört; die Moleküle liegen enger zusammen und die Dichte ist folglich größer.
    • Es kommen aber auch im flüssigen Wasser bei 0 °C noch kleinere aus mehreren Molekülen bestehende kristalline Aggregate vor. Ihr Zusammenbrechen beim Erwärmen bedingt das weitere Anwachsen der Dichte des Wassers bis zur Temperatur von 4 °C. Oberhalb dieser Temperatur benötigen die einzelnen Moleküle aufgrund ihrer höheren (kinetischen) Energie mehr Platz, als sie durch engere Zusammenlagerung erhalten können. Die Dichte sinkt wiederum ab.
  • Über die Struktur des Wassers bestehen mehrere Theorien:
    • Die meisten Hypothesen postulieren ein Netzwerk von Wassermolekülen, die durch Bereiche von monomer vorliegenden Wassermolekülen getrennt sind.

Sonstiges

  • Ein ausgezeichnetes Merkmal für die Reinheit des Wassers liefert die Messung der elektrischen Leitfähigkeit, die mit zunehmender Reinheit abnimmt. Vollkommen reines Wasser hat eine Leitfähigkeit von 4 · 10-8 W-1·cm-1 (bei 18 °C) bzw. 0,055 µS/cm (bei 25 °C).
  • Normalerweise gefriert Wasser aufgrund praktisch stets vorhandener winziger partikulärer Verunreinigungen, die als Kristallisationskerne dienen, am definierten Gefrierpunkt von 0 °C.
  • Sehr reines Wasser lässt sich jedoch unter 0 °C abkühlen, ohne dass es gefriert. Dabei entsteht eine unterkühlte Flüssigkeit, die sich in einem metastabilen Zustand befindet.
    • Unterkühltes Wasser kann spontan oder z.B. durch Erschütterungen zum plötzlichen Auskristallisieren gebracht werden. Die Umwandlung in Eis geschieht dabei sehr rasch.
    • Im Labor lassen sich kleinere Mengen sehr reinen Wassers bis auf ca. -40 °C unterkühlen. Einzelne Wassertröpfchen sogar auf bis zu -70 °C.
      • Allgemein lassen sich kleinere Mengen Wasser stärker unterkühlen als große.

Geschichtliches

  • Wasser diente wiederholt zur Definition physikalischer Maßeinheiten.
  • So wurde z.B. die Masse eines Kubikzentimeters Wasser von 4 °C als 1 Gramm (g), das Gewicht der so festgelegten Masseneinheit als 1 pond (p) und die Wärmemenge, die erforderlich ist, um 1 g Wasser von 14,5 °C auf 15,5  °C zu erwärmen, als Kalorie (cal) bezeichnet.
  • Die Temperaturskala von Anders Celsius (Celsius-Skala) gründet sich auf den Schmelz- und Siedepunkt luftgesättigten Wassers, wobei der Schmelzpunkt unter Atmosphärendruck dem Nullpunkt der Skala und der Siedepunkt 100 °C entspricht. 1 Grad Celsius (1 °C) ist dementsprechend der hundertste Teil dieses Temperaturintervalls.
    • Unter 1 Kelvin (1 K) versteht man analog den 273,16ten Teil der Differenz zwischen dem absoluten Nullpunkt (0 K) und dem Tripelpunkt des reinen Wassers bei 273,16 K.

Chemie

Strukturformel

Summenformel

H2O

Molekülmasse

  • 18,016

Eigenschaften

Schmelzpunkt  0 °C
Siedepunkt 100 °C
Brechungsindex   (20 °C) 1,3330
Dampfdruck (20 °C) 23,37 hPa
Dichte   (3,98 °C) 0,999975
Relative Dichte (4 °C) 1,0000
Dielektrizitätskonstante (0 °C) 87,470
Leitfähigkeit  (18 °C) 4 · 10-8 W-1·cm-1
Oberflächenspannung (20 °C) 72 mN·mol-1
Schmelzenthalpie 6,0131 kJ·mol-1
6,01 kJ·kg-1 
Verdampfungsenthalpie (andere Quelle) 40,67 kJ·mol-1
(20 °C) 44,2 kJ·mol-1
(20 °C) 2453 kJ·kg-1 
Wärmekapazität (20 °C, molar) 75,366 J·mol-1·kg-1
(20 °C) 4,18 kJ·kg-1·K-1
Wärmeleitfähigkeit (20 °C) 0,6 W·m-1·K-1
pKB  15,74

Bemerkungen

  • Wasser besteht aus 88,865 Gewichtsteilen Sauerstoff und 11,135 Gewichtsteilen Wasserstoff.
  • Wasser besitzt Dipoleigenschaften. Daraus ergeben sich auch Interaktionen der Wassermoleküle untereinander. So kommt es durch Wasserstoffbrücken zur Bildung von Molekülaggregaten, wie bei der Tetrahydrol-Struktur.
  • Der Dipolcharakter des Wassers bedingt die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Wassers und ist auch für seine biologische Funktion von Bedeutung:
    • So interagieren Wassermoleküle mit Makromolekülen wie Proteinen und Nukleinsäuren unter Bildung einer Hydrathülle.
    • Wasser löst anorganische und organische Stoffe. Es ist für den extra- und interzellulären Transport der meisten Substanzen im Organismus unverzichtbar.
    • Es ist Reaktionspartner bei enzymkatalysierten, hydrolytischen Spaltungen von Makromolekülen (Proteine, Kohlenhydrate, Fette), außerdem ist es ein Substrat bei der Photosynthese.

Wasserhärte

Allgemeines

  • Nach dem Gehalt an Calcium- und Magnesiumsalzen (v.a. Calciumhydrogencarbonat, Calciumsulfat, Magnesiumhydrogencarbonat) bestimmt man die Härte des Wassers.
  • Wasser mit einem hohen Gehalt an diesen Salzen bezeichnet man als "hartes Wasser", solches mit wenigen dieser Salze als "weiches Wasser"
  • Calcium- und Magnesiumhydrogencarbonat, die beim Kochen des Wasser als Carbonate ausfallen, bilden die "vorübergehende" oder "temporäre Härte", die vielfach auch als "Carbonat-Härte" bezeichnet wird.
  • Die zurückbleibende, v.a. auf den Gehalt von Calciumsulfat beruhende Härte, wird als "bleibende" oder "permanente Härte", bzw. "Mineralsäurehärte" bezeichnet.
  • Temporäre und permanente Härte ergeben zusammen die Gesamthärte, die in Härtegraden angegeben wird:
    • 1 mmol/l bezeichnet die Härte eines Wassers, wenn in 1 L soviel mg Ionen eines Erdalkalimetalls gelöst sind, wie dessen molare Masse Mr (eq), bezogen auf Äquivalente (z.B. 0,5 Ca2+, 0,5 mg2+) angibt.
    • 1 mmol/l entspricht 2,8 °dH
      • 1 Deutscher Härtegrad (1 °dH) entspricht 10 mg CaO in 1 L Wasser oder 0,179 mmol Erdalkali-Ionen in 1 L Wasser.
  • Der Menge von 10 mg CaO entsprechen 7,19 mg MgO oder 18,48 mg SrO oder 27,35 mg BaO.
  • 1 Englischer Härtegrad (1 °e) entspricht 0,143 mol/L oder 0.798 °dH.
  • 1 Französischer Härtegrad (1 °f) 0,100 mol/Ll od. 0,560 °dH.

Enthärtung des Wassers

Kalk-Soda-Verfahren
  • Durch Zusatz von Kalkmilch kommt es zur Ausfällung der Carbonathärte; durch den weiteren Zusatz von Soda zur Ausfällung der Mineralsäurehärte
Weitere Verfahren
  • Ionenaustauscher-Verfahren
  • Destillation
  • Elektrodialyse oder Umkehrosmose
  • Gefrierverfahren
  • Härtestabilisation durch Zusatz von Polyphosphaten.

Analytik

IR-Spektrum

Biologie

Vorkommen

  • In der Natur kommt Wasser in chemisch reiner Form nicht vor; es enthält stets gelöste Stoffe, hauptsächlich Calcium- und Magnesiumverbindungen, gelöste Gase (v.a. Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid) sowie Verunreinigungen (Staub, Bakterien, organische und aufgeschwemmte Stoffe).
    • Regenwasser ist relativ am reinsten, da es einen natürliche Destillationsprozess durchgemacht hat.

Tabellen

Dampfdruck reinen Wassers

°C hPa Torr
-50 0,039 0,029
-49 0,044 0,033
-48 0,049 0,037
-47 0,056 0,042
-46 0,063 0,047
-45 0,069 0,052
-44 0,077 0,058
-43 0,088 0,066
-42 0,099 0,074
-41 0,111 0,083
-40 0,124 0,093
-39 0,140 0,105
-38 0,159 0,119
-37 0,179 0,134
-36 0,200 0,150
-35 0,223 0,167
-34 0,247 0,185
-33 0,273 0,205
-32 0,303 0,227
-31 0,336 0,252
-30 0,373 0,280
-29 0,415 0,311
-28 0,460 0,345
-27 0,510 0,383
-26 0,566 0,425
-25 0,628 0,471
-24 0,694 0,521
-23 0,768 0,576
-22 0,848 0,636
-21 0,934 0,701
-20 1,029 0,772
-19 1,133 0,850
-18 1,246 0,935
-17 1,369 1,027
-16 1,504 1,128
-15 1,650 1,238
-14 1,809 1,357
-13 1,981 1,486
-12 2,169 1,627
-11 2,373 1,780
-10 2,594 1,946
-9 2,832 2,125
-8 3,082 2,312
-7 3,375 2,532
-6 3,680 2,761
-5 4,009 3,008
-4 4,367 3,276
-3 4,753 3,566
-2 5,170 3,879
-1 5,619 4,216
0 6,10 4,579
1 6,57 4,926
2 7,06 5,294
3 7,58 5,685
4 8,13 6,101
5 8,72 6,543
6 9,35 7,013
7 10,01 7,513
8 10,72 8,045
9 11,47 8,609
10 12,27 9,209
11 13,12 9,844
12 14,02 10,518
13 14,97 11,231
14 15,98 11,987
15 17,05 12,788
16 18,17 13,634
17 19,37 14,530
18 20,63 15,477
19 21,96 16,477
20 23,37 17,535
21 24,86 18,650
22 26,43 19,827
23 28,08 21,068
24 29,83 22,377
25 31,66 23,756
26 33,60 25,209
27 35,64 26,739
28 37,79 28,349
29 40,04 30,043
30 42,42 31,824
31 44,91 33,695
32 47,54 35,663
33 50,29 37,729
34 53,18 39,898
35 56,21 42,175
36 59,40 44,563
37 62,74 47,067
38 66,23 49,692
39 69,90 52,442
40 73,74 55,324
41 77,76 58,34
42 81,97 61,50
43 85,97 64,50
44 90,98 68,26
45 95,81 71,88
46 100,8 75,65
47 106,1 79,60
48 111,6 83,71
49 117,3 88,02
50 123,3 92,51
51 129,6 97,20
52 136,1 102,09
53 142,9 107,20
54 150,0 112,51
55 157,3 118,04
56 165,0 123,80
57 173,0 129,82
58 181,4 136,08
59 190,1 142,60
60 199,1 149,38
61 208,5 156,43
62 218,3 163,77
63 228,4 171,38
64 239,0 179,31
65 250,0 187,54
66 261,4 196,09
67 273,2 204,96
68 285,5 214,17
69 298,2 223,73
70 311,5 233,70
71 325,1 243,90
72 339,4 254,60
73 354,2 265,70
74 369,5 277,20
75 385,3 289,10
76 401,7 301,40
77 418,7 314,10
78 436,3 327,30
79 454,5 341,00
80 473,3 355,10
81 492,8 369,70
82 513,0 384,90
83 534,0 400,60
84 555,6 416,80
85 577,9 433,60
86 601,0 450,90
87 624,7 468,70
88 649,3 487,10
89 674,6 506,10
90 700,8 525,76
91 727,8 546,05
92 755,7 566,99
93 784,5 588,60
94 814,3 610,90
95 844,9 633,90
96 876,5 657,62
97 909,1 682,07
98 942,7 707,27
99 977,3 733,24
100 1.013 760,0
101 1.050 787,6
102 1.088 815,9
103 1.126 845,1
104 1.166 875,1
105 1.208 906,1
106 1.250 937,9
107 1.294 970,6
108 1.339 1.004,4
109 1.385 1.038,9
110 1.432 1.074,6
111 1.481 1.111,2
112 1.531 1.148,8
113 1.583 1.187,5
114 1.636 1.227,3
115 1.690 1.268,0
116 1.746 1.309,9
117 1.803 1.352,9
118 1.862 1.397,2
119 1.923 1.442,6
120 1.985 1.489,1
121 2.048 1.536,7
122 2.114 1.585,9
123 2.181 1.636,1
124 2.249 1.687,6
125 2.320 1.740,6
126 2.392 1.794,8
127 2.466 1.850,4
128 2.542 1.907,4
129 2.620 1.965,8
130 2.700 2.025,6
131 2.782 2.087,1
132 2.866 2.150,1
133 2.952 2.214,4
134 3.040 2.280,5
135 3.128 2.347,0
136 3.221 2.416,2
137 3.316 2.488,0
138 3.413 2.560,5
139 3.512 2.634,8
140 3.613 2.710,5
141 3.716 2.788,2
142 3.822 2.867,5
143 3.931 2.948,9
144 4.041 3.031,8
145 4.154 3.116,6
146 4.270 3.203,4
147 4.388 3.292,2
148 4.437 3.328,8
149 4.633 3.475,6
150 4.758 3.570
160 6.179 4.636
170 7.917 5.940
180 10.026 7.522
190 12.549 9.415
200 15.547 11.664
210 19.075 14.311
220 23.196 17.403
230 27.972 20.986
240 33.472 25.112
250 39.766 29.834
260 46.933 35.211
270 55.041 41.294
280 64.179 48.150
290 74.434 55.844
300 85.894 64.442
310 98.669 74.026
320 112.866 84.677
330 128.611 96.490
340 146.045 109.570
350 165.332 124.040
360 186.685 140.060
370 210.477 157.910
374,1 221.400 166.064
 

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