1.

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.

2.

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.

3.

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.

4.

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.

5.

Natürlicher Wasserkreislauf

Die Hydrologie ist die Wissenschaft, die sich mit der Verteilung des Wassers auf der Erde, seinen physikalischen Umwandlungen und chemischen Reaktionen mit anderen natürlich vorkommenden Substanzen und seiner Beziehung zum Leben auf der Erde befasst. Den ständigen Wechsel von Wasser zwischen der Erdoberfläche und der Atmosphäre kennen wir als natürlichen Wasserkreislauf. Unter verschiedenen Einflüssen, überwiegend durch Wärmeeinfluss, dampft Wasser aus Wasser- und Landoberflächen ab und wird von lebenden Zellen abgegeben. Dieser Dampf zirkuliert in der Atmosphäre und fällt als Regen oder Schnee nieder. Siehe Meteorologie.

Wenn das Wasser wieder auf die Erdoberfläche trifft, kann es zwei verschiedene Wege nehmen. Abhängig von der Regenintensität sowie der Porösität, der Durchlässigkeit, der Dicke des Bodens und der vorher darin enthaltenen Feuchtigkeit, fließt ein Teil des Wassers (der so genannte Oberflächenabfluss) direkt in die Bäche und Wasserläufe und von dort z. B. in die Meere. Der Rest versickert im Boden. Ein Teil des Sickerwassers bildet die Bodenfeuchtigkeit, die direkt verdampft oder über die Pflanzenwurzeln zu den Blättern aufsteigt und dort abgegeben wird. Der Wasseranteil, der die Kohäsions- und Adhäsionskräfte im Boden überwindet, sickert weiter hinunter, sammelt sich in der so genannten Sättigungszone und bildet dort das Grundwasserreservoir. Dessen Oberfläche nennt man Grundwasserspiegel. Unter natürlichen Bedingungen steigt der Grundwasserspiegel zeitweilig, wenn er durch Niederschläge aufgefüllt oder beladen wird, und sinkt dann wieder, da unaufhörlich Wasser in natürliche Abflüsse abläuft. Siehe auch Brunnen.

6.

Zusammensetzung

Da Wasser zahlreiche Substanzen in großen Mengen zu lösen vermag, kommt es in der Natur selten in reiner Form vor.

Bei der Kondensation und beim Niederschlag absorbieren Regen oder Schnee veränderliche Mengen an Kohlendioxid und anderen Gasen, auch Spuren von organischen und anorganischen Substanzen aus der Atmosphäre.

Beim Kontakt mit der Erdkruste reagiert Wasser mit den Mineralien im Boden und in den Gesteinen. Im Oberflächen- und Grundwasser sind in erster Linie Sulfate, Chloride und Hydrogencarbonate von Natrium und Kalium sowie Calcium und Magnesium enthalten. Das Grundwasser von Flachbrunnen kann außerdem große Mengen an Stickstoffverbindungen und Chloriden enthalten, die aus Fäkalien stammen. Das Grundwasser aus Tiefbrunnen enthält dagegen im Allgemeinen nur gelöste Mineralien. In fast allen natürlichen Trinkwasserreservoiren befinden sich Fluoride in veränderlichen Mengen. Siehe Fluor.

Meerwasser beinhaltet zusätzlich zu Natriumchlorid („Salz”) in konzentrierten Mengen auch noch viele andere gelöste Verbindungen. Gleichzeitig geht reines Wasser durch den Verdampfungsprozess unaufhörlich verloren, so dass der Anteil an Verschmutzungen ansteigt. Siehe Ozeane und Ozeanographie.

7.

Wasseraufbereitung

Infolge von schwebenden und gelösten Verunreinigungen ist natürliches Wasser für viele Zwecke ungeeignet. Störende organische und anorganische Substanzen werden nach unterschiedlichen Methoden entfernt: Sieben und Sedimentation zum Beseitigen der Schwebeteilchen, Behandlung mit Aktivkohle zur Entfernung von Geschmacks- und Geruchsstoffen, Filtration und Chlorierung oder Bestrahlung zum Abtöten infektiöser Mikroorganismen (siehe Wasserentsorgung).

Bei der Durchlüftung sättigt man Wasser mit Luft. Dazu bringt man Wasser mit Luft in einer Weise in Kontakt, dass eine maximale Durchdringung stattfindet. Durch diesen Vorgang entfernt man Geruchs- und Geschmacksstoffe (die sich bei der Zersetzung organischer Materie gebildet haben) und vertreibt flüchtige Gase (z. B. Chlor). Außerdem werden Eisen- und Manganverbindungen in unlösliche Oxidhydrate überführt. Diese lassen sich anschließend z. B. durch Filtration entfernen.

Die Härte des natürlichen Wassers wird größtenteils von Calcium- und Magnesiumsalzen verursacht. Die durch Hydrogencarbonate und Carbonate von Calcium und Magnesium hervorgerufene Härte nennt man Carbonathärte (temporäre Härte). Sie kann durch Kochen entfernt werden. Beim Kochen wird das Wasser auch keimfrei. Die Resthärte nennt man entsprechend Permanenthärte. Um die Permanenthärte (z. B. Calciumsulfat) abzuschwächen, setzt man dem Wasser Natriumcarbonat zu und leitet das so vorbehandelte Wasser durch natürliche oder synthetische Zeolithe. Diese absorbieren die härtebildenden Metallionen und setzen Natriumionen frei. Anschließend wird die Lösung über einen Natriumionen-Austauscher geführt (siehe Ionenaustauscher). Komplexbildner in Waschmitteln dienen dazu, diejenigen Substanzen zu inaktivieren, die das Wasser hart machen.

Eisen kann auf verschiedene Weise entfernt werden: zum einen durch enteisende Zeolithfilter oder zum anderen durch Zugabe von Salzen (Polyphosphaten), die das Eisen stabilisieren. Für den Laborgebrauch wird Wasser entweder destilliert oder über Ionenaustauscher entmineralisiert.

8.

Wasserentsalzung

Um den ständig steigenden Bedarf an Frischwasser besonders in Trocken- und semiariden Gebieten zu decken, hat man weit reichende Forschung betrieben, um mit wirkungsvollen Methoden das Salz aus Meer- und Brackwasser zu entfernen. Es wurden verschiedene Verfahren zur billigen Herstellung frischen Wassers entwickelt.

Die mehrstufige Entspannungsverdampfung beruht auf der Verdampfung und nachfolgenden Kondensation des entstandenen Dampfes. Sie wird am häufigsten angewandt. Bei diesem Verfahren erhitzt man das Meerwasser und leitet es anschließend in Niederdrucktanks. Durch den geringen Druck verdampft das Wasser zum zweiten Mal. Diesen Dampf kondensiert man daraufhin und erhält so das gewünschte, reine Wasser.

Eine andere Methode ist das Ausfrieren. Sie beruht auf den verschiedenen Gefrierpunkten von Frisch- und Salzwasser. Die Eiskristalle werden dabei aus der Salzlösung entfernt, salzfrei gewaschen und zu Frischwasser geschmolzen. Bei der Umkehrosmose presst man unter Druckanwendung Salzwasser durch eine dünne, halbdurchlässige Membran, die die unerwünschten Minerale nicht durchdringen können. Diese Membran kann z. B. aus Polyamid bestehen. Die Elektrodialyse wird beispielsweise angewendet, um Brackwasser zu entsalzen. Löst sich Salz in Wasser auf, so bilden sich positive und negative Ionen (Anionen und Kationen). Diese können über anionen- und kationendurchlässige Membranen entfernt werden, wenn man einen elektrischen Strom anlegt. Der Salzgehalt im Frischwasser ist dann entsprechend dezimiert.

Verglichen mit etwa 35 000 parts per million (Teile pro eine Million Teile) bei Meerwasser enthält Brackwasser mitunter nur zwischen 1 000 und 4 500 parts per million an Mineralien. Geht man davon aus, dass Wasser trinkbar ist, wenn es weniger als 500 parts per million an Salz enthält, so sind die Kosten zur Entsalzung von Brackwasser entsprechend niedriger als bei Meerwasser. Siehe auch Solarenergie; Wasserkraft; Wasserversorgung und Wasserversorgungsanlagen.

Zu anderen Funktionen des Wassers siehe Erosion; Geologie; Stoffwechsel