Wasser in der Chemie: Aufbau und Eigenschaften

Warum kann Wasser geladene Teilchen anziehen, obwohl ein Wassermolekül insgesamt ungeladen ist? Entscheidend ist, wie die Ladung im Molekül verteilt ist.

Ein Wassermolekül enthält zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom. Die Atome sind durch feste Atombindungen verbunden. Dabei teilen sich je ein Wasserstoffatom und das Sauerstoffatom zwei Elektronen. Elektronen sind winzige, negativ geladene Teilchen in der Hülle der Atome.

Sauerstoff zieht diese gemeinsamen Elektronen stärker zu sich als Wasserstoff. Deshalb ist die Sauerstoffseite leicht negativ, und die beiden Wasserstoffseiten sind leicht positiv. Diese kleinen Ladungen heißen Teilladungen oder Partialladungen. Es sind keine ganzen Ladungen wie bei einem geladenen Teilchen.

Außerdem ist H₂O nicht gerade, sondern gewinkelt. Der Winkel zwischen den beiden O–H-Bindungen beträgt etwa 104,5°. Deshalb liegen die Plusseite und die Minusseite an verschiedenen Stellen des Moleküls und gleichen sich nicht aus. Ein Molekül mit getrennter Plus- und Minusseite nennt man auch polar.

Die O–H-Bindungen halten ein Wassermolekül zusammen. Zwischen verschiedenen Wassermolekülen wirkt eine andere Anziehung: Die leicht positive Wasserstoffseite eines Moleküls zieht die leicht negative Sauerstoffseite eines anderen an.

Diese Anziehungen sind nicht dauerhaft. Sie lösen sich und entstehen ständig neu. Zusammen bilden sie ein bewegliches Netzwerk. Daraus folgen mehrere Eigenschaften.

Wasser hat eine hohe Oberflächenspannung: Moleküle an der Oberfläche werden stark zum Wasser hin angezogen. Kleine Wasserläufer können dadurch von der Oberfläche getragen werden.

Wasser hat eine hohe Wärmekapazität: Es braucht viel Energie, um wärmer zu werden. Seen und Meere erwärmen sich daher nur langsam und kühlen auch langsam ab. So mildern sie Temperaturschwankungen.

Wasser braucht außerdem viel Energie zum Verdampfen: Beim Übergang in den gasförmigen Zustand muss ein großer Teil der Anziehung zwischen den Molekülen überwunden werden.

Beim Lösen verschwindet ein Stoff nicht. Seine Teilchen verteilen sich so fein im Wasser, dass du sie einzeln nicht mehr siehst.

Kochsalz besteht aus Ionen. Ionen sind elektrisch geladene Teilchen. Im Kochsalz gibt es positiv geladene Natrium-Ionen und negativ geladene Chlorid-Ionen. Wasser zieht beide Sorten an. Die Wassermoleküle richten sich passend aus, lösen die Ionen aus dem Salzkristall und umhüllen sie. Diese Umhüllung durch Wassermoleküle heißt Hydratation. Um ein positives Ion zeigt überwiegend die negative Sauerstoffseite nach innen. Um ein negatives Ion zeigen überwiegend die positiven Wasserstoffseiten nach innen.

Die umhüllten Ionen können sich in der Lösung bewegen. Deshalb leitet eine Salzlösung elektrischen Strom deutlich besser als nahezu reines Wasser. Im festen Salzkristall sind die Ionen dagegen nicht frei beweglich.

Zucker besteht aus polaren Molekülen. Wassermoleküle können auch diese anziehen und voneinander trennen; die Zuckermoleküle werden dabei nicht zu Ionen. Öl ist überwiegend unpolar: Seine Moleküle haben keine deutlich getrennte Plus- und Minusseite. Ihm fehlen passende Teilladungen für eine starke Anziehung durch Wasser, daher bildet es eine getrennte Schicht.

Die Formel H₂O beschreibt den Reinstoff Wasser. Leitungswasser, Mineralwasser, See- oder Flusswasser sind dagegen Wasserproben mit gelösten Stoffen. Sie sind meist Gemische aus H₂O-Molekülen und gelösten Teilchen, etwa Gasen und Ionen, auch wenn sie klar aussehen. Ein Reinstoff besteht dagegen aus nur einer Teilchensorte. Nahezu reines Wasser leitet elektrischen Strom kaum. Gelöste Ionen erhöhen die Leitfähigkeit. Eine Leitfähigkeitsmessung weist daher auf geladene gelöste Teilchen hin, verrät allein aber noch nicht, welche Ionen enthalten sind.

Calcium- und Magnesium-Ionen heißen Härtebildner. Je mehr davon gelöst sind, desto härter ist das Wasser. Beim Erhitzen kann sich Kalk als fester Belag absetzen, etwa im Wasserkocher. Hartes Wasser erhöht außerdem den Seifenbedarf, weil Härtebildner die Seifenwirkung vermindern. Verwechsle außerdem Wasserdampf nicht mit Luft: Wasserdampf ist gasförmiges H₂O. Luft ist ein Gemisch verschiedener Gase und kann Wasserdampf enthalten.

Wasser kommt fest als Eis, flüssig als Wasser und gasförmig als Wasserdampf vor. Bei einer Änderung des Aggregatzustands ändern sich die Anordnung und Beweglichkeit der Moleküle, aber ein H₂O-Molekül bleibt H₂O.

Bei einem Luftdruck von etwa 1.013 hPa schmilzt reines Eis bei 0 °C, und reines Wasser siedet bei 100 °C. Unter anderen Druckbedingungen verschieben sich diese Temperaturen. Wasserdampf selbst ist unsichtbar. Der sichtbare „Dampf“ über einem Topf besteht aus kleinen flüssigen Wassertröpfchen. Wolken bestehen aus solchen Tröpfchen und zum Teil aus winzigen Eiskristallen.

Normalerweise dehnen sich Stoffe beim Erwärmen aus. Wasser verhält sich zwischen 0 °C und 4 °C anders: Beim Erwärmen nimmt sein Volumen ab. Bei 4 °C erreicht flüssiges Wasser seine größte Dichte. Oberhalb von 4 °C nimmt das Volumen beim Erwärmen wieder zu. Dieses besondere Verhalten heißt Dichteanomalie.

Beim Gefrieren halten die Wasserstoffbrücken die Moleküle in einer regelmäßigen, lockeren Anordnung mit vielen Lücken fest. Deshalb braucht Eis mehr Platz als dieselbe Masse flüssiges Wasser.

Die Dichte berechnest du mit dieser Formel:

\rho=\frac{m}{V}

Dabei ist m die Masse und V das Volumen. Bei gleicher Masse gilt: Größeres Volumen bedeutet kleinere Dichte.