Wasser

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Einleitung

Wasser, gebräuchlicher Name für die Wasserstoff-Sauerstoff-Verbindung mit der chemischen Formel H₂O.

Die Philosophen des Altertums betrachteten Wasser als das Element, das allen flüssigen Eigenschaften zu Grunde liegt. In vielen Kulturen der Erde nahm Wasser als symbolischer Urbeginn der Welt eine zentrale Rolle in den jeweiligen Schöpfungsmythen ein. Lange Zeit betrachtete man Wasser als eine Art Grundelement. 1781 synthetisierte der britische Chemiker Henry Cavendish Wasser, indem er eine Mischung aus Wasserstoff und Luft zur Explosion brachte. Die Ergebnisse dieses Experiments konnten allerdings erst zwei Jahre später richtig interpretiert werden, als Antoine Laurent Lavoisier anregte, dass Wasser kein Element, sondern eine Verbindung aus Sauerstoff und Wasserstoff sei. In einer wissenschaftlichen Abhandlung wies im Jahr 1804 Joseph Louis Gay-Lussac zusammen mit seinem Freund Alexander von Humboldt nach, dass Wasser aus zwei Teilen Wasserstoff und einem Teil Sauerstoff besteht, was in der bis heute gültigen Formel H₂O ausgedrückt wird.

Der amerikanische Chemiker Harold Clayton Urey entdeckte 1932 im Wasser eine geringe Menge (1 Teil in 6 000 Teilen) an so genanntem schweren Wasser oder Deuteriumoxid (D₂O). Deuterium ist das Wasserstoffisotop mit der relativen Atommasse 2. 1951 fand dann der amerikanische Chemiker Aristid Grosse, dass natürlich vorkommendes Wasser auch noch winzige Spuren an Tritiumoxid (T₂O) enthält. Tritium ist ein weiteres Wasserstoffisotop. Es hat die relative Atommasse 3. Siehe Atom

Eine besondere, künstliche Form von Wasser konnte ein amerikanisches Forscherteam Ende 1998 herstellen. Beim so genannten „positronischen Wasser” sind die beiden Wasserstoffatome eines Moleküls gegen zwei Positroniumatome ausgetauscht worden. Herkömmlicher Wasserstoff setzt sich aus einem Proton und einem Elektron zusammen, während Positronium aus Positron und Elektron besteht. Berechnungen zufolge ist die chemische Bindung zwischen Sauerstoff und Positronium wie erwartet schwächer als zwischen Sauerstoff und Wasserstoff im normalen Wassermolekül – viermal schwächer.

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Eigenschaften

Reines Wasser ist eine geruchs- und geschmacksneutrale Flüssigkeit. Es besitzt einen bläulichen Schimmer, der aber nur an dickeren Schichten wahrgenommen werden kann. Unter Druck kann Wasser zu einem Gel werden und eine höhere Viskosität als im herkömmlichen Zustand aufweisen. Bei Normaldruck (760 Millimeter Quecksilbersäule oder 760 Torr) liegt der Gefrierpunkt des Wassers bei 0 ºC und der Siedepunkt bei 100 ºC. Wasser erreicht seine größte Dichte bei einer Temperatur von 4 ºC; beim Gefrieren dehnt es sich aus. Wie die meisten Flüssigkeiten kann Wasser auch in einem unterkühlten Zustand existieren. In diesem Zustand bleibt es auch dann flüssig, wenn seine Temperatur unter dem Gefrierpunkt liegt. Wasser kann unter Laborbedingungen und selbst in der Atmosphäre leicht bis circa -25 °C abgekühlt werden, ohne dass es einfriert – nach jüngsten Erkenntnissen bleibt Wasser sogar bei Temperaturen unter -113 °C flüssig. Unterkühltes Wasser gefriert bei Erschütterung, bei weiterer Temperaturabnahme oder wenn man einen Eiskristall hinzufügt. Die physikalischen Eigenschaften des Wassers dienten als Standards, um Temperaturskalen festzulegen und um im metrischen System die Einheit der Masse (das Gramm) ursprünglich zu definieren.

Mit Wasser lassen sich Stoffe (z. B. wasserlösliche Salze) in Ionen zerlegen (elektrolytische Dissoziation). Mit einigen Salzen bildet Wasser Hydrate. Da die meisten Substanzen in Wasser etwas löslich sind, wird es häufig als das Universallösungsmittel schlechthin bezeichnet. Es reagiert mit einigen Metalloxiden zu Säuren (siehe Säuren und Basen) und fungiert bei vielen chemischen Reaktionen als Katalysator.

Wasser lässt sich elektrolytisch in seine Komponenten Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen. Mit Hilfe eines speziellen Katalysators gelingt diese Reaktion bereits durch Einwirkung von Sonnenlicht.

Wassermoleküle sind sowohl im Festkörper (Eis) als auch in der Flüssigkeit über so genannte Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbunden. Experten gingen schon seit längerer Zeit davon aus, dass bei dieser chemischen Bindung nicht nur das Wasserstoffatom des einen Moleküls mit dem freien Elektronenpaar des Sauerstoffatoms des anderen Moleküls in Wechselwirkung tritt, sondern auch die kovalenten Bindungen zwischen dem Sauerstoffatom und den beiden Wasserstoffatomen innerhalb eines Moleküls für die Wasserstoffbrücke eine Rolle spielen. Nach quantenmechanischen Untersuchungen sollte es möglich sein, über die Brückenbindungen Elektronen auszutauschen. In diesem Zusammenhang lieferte 1999 ein internationales Forschungsteam den experimentellen Nachweis, dass bildlich gesprochen die kovalenten Bindungselektronen an der Wasserstoffbrückenbindung beteiligt sind.

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Vorkommen

Wasser ist die einzige Substanz, die bei Durchschnittstemperaturen in allen drei Aggregatzuständen vorkommt (fest, flüssig und gas- oder dampfförmig). Als Eis findet man es z. B. in Gletschern und in den kälteren Jahreszeiten als Schnee, Hagel und Reif. Im flüssigen Zustand kommt Wasser in den aus Wassertröpfchen gebildeten Regenwolken und als Tau vor. Etwa drei Viertel der Erdoberfläche sind von Wasser in Form von Seen, Flüssen oder Meeren bedeckt. Als Gas oder Wasserdampf tritt es in Nebel, Dampf und in den Wolken auf. Atmosphärischen Dampf misst man in Form von relativer Feuchtigkeit. Sie ist das Verhältnis von wirklich vorhandener Dampfmenge zu der bei gegebener Temperatur größtmöglichen Menge.

Wasser tritt als Feuchtigkeit im oberen Bereich des Bodenprofils auf. Durch die Kapillarwirkung haftet es an den Teilchen im Boden. In diesem Zustand nennt man es gebundenes Wasser. Es unterscheidet sich in seinen Eigenschaften von freiem Wasser (siehe Boden; Bodenbewirtschaftung). Unter dem Einfluss der Schwerkraft sammelt sich Wasser in den Gesteinsspalten unter der Erdoberfläche. Ein riesiges Grundwasserreservoir versorgt Brunnen und Quellen und erhält einige Wasserläufe während Trockenperioden am Fließen.

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Wasser und Leben

Wasser ist der Hauptbestandteil der lebenden Materie. 50 bis 90 Prozent der Masse lebender Organismen bestehen aus Wasser. Protoplasma, die Grundsubstanz lebender Zellen, enthält u. a. Fette, Kohlenhydrate, Proteine, Salze und andere Substanzen. Wasser fungiert dabei als eine Art Bindeglied. Es transportiert diese Substanzen, geht mit ihnen Verbindungen ein und sorgt für ihren chemischen Abbau. Das Blut von Tieren und der Saft in Pflanzen (siehe Pflanzensäfte), die u. a. für den Transport der Nahrung und die Entsorgung der Abbauprodukte lebenswichtig sind, enthalten reichlich Wasser. Auch im Stoffwechselgeschehen, besonders beim Abbau von Proteinen und Kohlenhydraten, spielt Wasser eine Schlüsselrolle. Dieser Prozess, den man Hydrolyse nennt, läuft ständig in lebenden Zellen ab.