Wasser

Grundlagen und Aufbau

Wasser ist die chemische Verbindung H₂O: Jedes Wassermolekül besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Als „Wasser“ bezeichnet man gewöhnlich den flüssigen Aggregatzustand; festes Wasser heißt Eis, gasförmiges Wasser Wasserdampf. In der Natur ist Wasser selten rein, sondern enthält meist gelöste Salze, Gase und organische Verbindungen. Es ist Grundlage allen Lebens, prägt Klima, Gewässer und Gletscher und ist für Gesellschaft und Wirtschaft unverzichtbar.

Reines flüssiges Wasser ist durchsichtig sowie weitgehend farb-, geruch- und geschmacklos. Seine molare Masse beträgt 18,02 g·mol⁻¹. Bei 101,3 kPa liegt der Schmelzpunkt bei 0 °C und der Siedepunkt bei 100 °C; die Dichte beträgt bei 20 °C 0,998 g·cm⁻³.

Sauerstoff besitzt mit 3,5 eine höhere Elektronegativität als Wasserstoff mit 2,1 und zieht die Bindungselektronen stärker an. Deshalb trägt die Sauerstoffseite eine negative, die Wasserstoffseite eine positive Partialladung. Das Molekül ist ein Dipol mit einem Dipolmoment von 1,84 Debye in der Gasphase. Es ist gewinkelt: Der Winkel zwischen den O–H-Bindungen beträgt 104,45°, ihre Länge jeweils 95,84 pm.

Zwischen Wassermolekülen entstehen Wasserstoffbrückenbindungen. Sie verbinden die Moleküle für Bruchteile von Sekunden zu ständig wechselnden Clustern und erklären viele besondere Eigenschaften: eine hohe Wärmekapazität von 4,18 kJ·kg⁻¹·K⁻¹ bei 20 °C, eine Oberflächenspannung von 72 mN/m bei 20 °C, eine hohe Verdampfungsenthalpie von 2453 kJ/kg und eine Schmelzenthalpie von 333 kJ/kg. Die hohe Oberflächenspannung erleichtert die Tropfenbildung; die hohe Verdampfungsenthalpie verursacht beim Verdunsten einen kühlenden Effekt.

Die größte Dichte besitzt Wasser bei 3,98 °C mit 999,975 kg/m³. Unterhalb dieser Temperatur dehnt es sich aus; beim Gefrieren nimmt sein Volumen sprunghaft zu. Diese Dichteanomalie bewirkt, dass Eis auf flüssigem Wasser schwimmt.

Nach der Isotopenzusammensetzung unterscheidet man leichtes Wasser H₂O, halbschweres Wasser HDO, schweres Wasser D₂O und überschweres Wasser T₂O; außerdem kommen HTO und DTO vor.

Chemisches Verhalten und Zustandsänderungen

Wasser ist ein wichtiges Lösungsmittel für Ionenverbindungen, hydrophile Gase und hydrophile organische Verbindungen. „Hydrophil“ bedeutet wasserliebend beziehungsweise gut mit Wasser wechselwirkend. Selbst als unlöslich geltende Stoffe können in Spuren enthalten sein. Die Wasserchemie untersucht die Inhaltsstoffe, Eigenschaften und Reaktionen verschiedener Wassertypen, darunter Trink-, Mineral-, Meer-, Grund-, Oberflächen-, Prozess- und Abwasser.

Bei der Elektrolyse wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt: 2 H₂O → 2 H₂ + O₂. Wasserstoff ist dabei keine Primärenergiequelle, sondern muss unter Einsatz von Primärenergie hergestellt werden. Wasser lässt sich qualitativ nachweisen: Weißes, kristallwasserfreies Kupfersulfat wird hellblau; blaues Cobalt(II)-chloridpapier wird rot. Kleine Wassermengen werden häufig durch Karl-Fischer-Titration quantitativ bestimmt.

Beim Erhitzen bewegen sich die Moleküle schneller. Erreicht Wasser an der Heizstelle bei Normaldruck 100 °C, geht es in Dampf über, dessen Volumen etwa 1600-mal größer ist. Dampfblasen steigen wegen ihrer geringeren Dichte auf. Solange obere Wasserschichten noch kühler sind, können die Blasen dort wieder kondensieren. Wenn die gesamte Wassermenge 100 °C erreicht, gelangen große Dampfblasen bis zur Oberfläche: Das Wasser kocht. Kleine Blasen, die schon bei geringer Erwärmung entstehen, enthalten dagegen gelöste Gase, weil deren Löslichkeit mit steigender Temperatur sinkt.

Vorkommen, Kreislauf und Klima

Etwa 71 % der Erdoberfläche sind von Wasser bedeckt. Die irdischen Wasservorräte umfassen ungefähr 1,4 Milliarden km³, größtenteils Salzwasser der Weltmeere. Rund 48 Millionen km³ beziehungsweise 3,5 % sind Süßwasser. Davon liegen 24,4 Millionen km³ als Eis in Polargebieten, Gletschern und Dauerfrostböden und 23,4 Millionen km³ als Grundwasser vor. Fließgewässer und Binnenseen enthalten etwa 190.000 km³, die Atmosphäre 13.000 km³, Böden 16.500 km³ und Lebewesen 1.100 km³. Insgesamt liegen ungefähr 98,233 % des Wassers flüssig, 1,766 % fest und 0,001 % gasförmig vor. Diese näherungsweisen Anteile verändern sich im Verlauf der Klimageschichte; infolge der globalen Erwärmung wird ein höherer Wasserdampfanteil erwartet.

Wasser zirkuliert ständig im globalen Wasserkreislauf. Seine Herkunft auf der Erde ist nicht abschließend geklärt. Ein Teil gelangte durch das Ausgasen von Magma aus dem Erdinneren in die Atmosphäre; ob dieser Vorgang die vorhandene Menge erklärt, ist stark umstritten.

Auch außerhalb der Erde wurden Wassereis und Wasserdampf nachgewiesen, unter anderem auf dem Mars, in Kometen, auf Monden der äußeren Planeten sowie in interstellaren Nebeln. Flüssiges Wasser wird unter den Eisoberflächen mehrerer Monde vermutet. Direkt fotografisch belegt wurde außerirdisches Flüssigwasser bisher nur in wenigen salzwasserhaltigen Schlammtröpfchen auf dem Mars.

Wasser ist Grundlage fast aller Wettererscheinungen. Ozeane speichern Sonnenenergie und transportieren durch Meeresströmungen große Wärmemengen. Ohne den Golfstrom würde in Mitteleuropa arktisches Klima herrschen. Ozeane lösen Kohlendioxid und wirken als CO₂-Senke; wärmeres Wasser kann jedoch weniger Gas halten. Wasserdampf ist selbst ein wirksames Treibhausgas. Verdunstung entzieht der Umgebung Wärme, während Kondensation Wärme freisetzt. Die hohe Wärmekapazität des Wassers mildert in Gewässernähe tägliche und jährliche Temperaturschwankungen. Das Verhältnis von Evapotranspiration, also Gesamtverdunstung, zu Niederschlag entscheidet wesentlich darüber, ob trockene oder feuchte Klimate entstehen.

Bedeutung für Leben und Ökosysteme

Wasser gilt als wahrscheinlicher Entstehungsort des Lebens und ist das zentrale Medium fast aller Stoffwechselvorgänge. Cyanobakterien und andere autotrophe Organismen stellen bei der Photosynthese aus Kohlendioxid und Wasser Traubenzucker und Sauerstoff her: 6 CO₂ + 12 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 6 H₂O. Bei der Zellatmung läuft die Gesamtreaktion umgekehrt: C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 H₂O + 6 CO₂. Wasser ist außerdem an Glykolyse, Zitronensäurezyklus sowie Fett-, Eiweiß- und Harnstoffstoffwechsel beteiligt.

Als polares Lösungsmittel und Transportmedium befördert Wasser in Organismen Nährstoffe, Abbauprodukte, Botenstoffe und Wärme, etwa in Blut, Lymphe und den Leitgefäßen der Pflanzen. Verdunstung durch Schwitzen oder Transpiration dient der Temperaturregelung. Der Turgordruck, also der Wasserdruck in Pflanzenzellen, gibt Pflanzen und Tieren ohne festes Skelett Form und Festigkeit. Stachelhäuter wie Seesterne bewegen sich mithilfe gezielter Druckänderungen in einem hydraulischen Gefäßsystem.

In Landökosystemen begrenzt die Wasserverfügbarkeit häufig die Produktivität. In aquatischen Ökosystemen sind dagegen oft gelöste Nährstoffe wie Phosphat, Ammonium, Nitrat und CO₂ der begrenzende Faktor. Die temperaturabhängige Dichte erzeugt in Seen Temperaturschichten und Ausgleichsströmungen. Wegen der Dichteanomalie frieren ausreichend tiefe stehende Gewässer gewöhnlich nicht bis zum Grund durch. Im Frühling und Herbst kann eine vollständige Umwälzung Oberflächen- und Tiefenwasser mischen und dadurch Sauerstoff und Nährstoffe verteilen.

In der EU wird der ökologische Zustand von Oberflächengewässern und Grundwasser nach der Wasserrahmenrichtlinie 2000/60/EG in fünf Stufen bewertet: „sehr gut“, „gut“, „mäßig“, „unbefriedigend“ und „schlecht“. Geowissenschaftlich wirkt Wasser durch Erosion, Sedimentation, Gletscherbewegung und Frostverwitterung als bedeutender Landschaftsgestalter.

Mensch, Versorgung und Gesundheit

Der menschliche Körper besteht zu über 70 % aus Wasser. Wassermangel kann Dehydratation beziehungsweise Exsikkose verursachen und unter anderem zu Schwindel, Durchblutungsstörungen, Erbrechen und Muskelkrämpfen führen. Der tägliche Mindestbedarf ist nicht eindeutig geklärt; Empfehlungen von mindestens 1,5 Litern täglich für gesunde Erwachsene sind laut Artikel wissenschaftlich nicht ausreichend gestützt. Bei Hitze kann der Bedarf steigen. Auch zu viel Wasser ist gefährlich: Mehr als 20 Liter pro Tag können durch Salzmangel eine Hyponatriämie mit bleibenden neurologischen Schäden oder Tod hervorrufen.

Wasser ist Voraussetzung für Trinkwasserversorgung, Landwirtschaft, Fischerei, Gütertransport und Industrie. Als Trinkwasserquellen dienen Niederschlag, Flüsse, Seen, Talsperren, Grund-, Mineral- und Quellwasser. „Virtuelles Wasser“ bezeichnet das in Produkten verborgene oder zu ihrer Herstellung benötigte Wasser.

Der Ausdruck „Wasserverbrauch“ ist ungenau, weil Wasser nicht vernichtet wird; „Wasserbedarf“ wäre treffender. Er umfasst Trinken, Kochen, Waschen, Toilettenspülung sowie Landwirtschaft, Gewerbe und Industrie. Der weltweite Süßwasserbedarf wurde für 2015 auf 4370 km³ pro Jahr geschätzt, während die Grenze nachhaltiger Nutzung mit 4000 km³ angegeben wird. Rund 20 % des Gesamtverbrauchs könnten auf die bislang unterschätzte Verdunstung genutzten oder bereitgehaltenen Wassers entfallen.

In Deutschland betrug der Wasserbedarf 1991 insgesamt 47,9 Milliarden m³: 29 Milliarden m³ entfielen auf Kühlwasser für Kraftwerke, rund elf Milliarden m³ auf die Industrie, 1,6 Milliarden m³ auf die Landwirtschaft und 6,5 Milliarden m³ auf die Trinkwasserversorgung. Ohne Industrie lag der durchschnittliche Bedarf bei etwa 130 Litern pro Einwohner und Tag.

Etwa vier Milliarden Menschen beziehungsweise zwei Drittel der Weltbevölkerung verfügen mindestens einen Monat pro Jahr nicht über genügend Wasser; 1,8 bis 2,9 Milliarden leiden vier bis sechs Monate und etwa 0,5 Milliarden ganzjährig unter schwerer Wasserknappheit. Seit 1990 erhielten rund 2,6 Milliarden zusätzliche Menschen Zugang zu einer sicheren Versorgung, dennoch tranken weiterhin 663 Millionen Menschen täglich potenziell krank machendes, verschmutztes Wasser.

Am 28. Juli 2010 erklärte die UN-Generalversammlung mit 122 Stimmen ohne Gegenstimme den Zugang zu sauberem Trinkwasser und sanitärer Grundversorgung zum Menschenrecht; 41 Staaten enthielten sich. Die Resolution 64/292 ist völkerrechtlich nicht bindend, kann aber die Einordnung dieser Versorgung als Bestandteil eines angemessenen Lebensstandards stützen. Südafrika und Ecuador haben das Recht auf Wasser in ihre Verfassungen aufgenommen.

Wissenschaftliche und technische Nutzung

Die Hydrologie untersucht Verteilung und Eigenschaften des Wassers. Weitere Fachgebiete sind Ozeanologie beziehungsweise Ozeanographie für Meere, Limnologie für Binnengewässer, Hydrogeologie für Grundwasser und Grundwasserleiter, Meteorologie für atmosphärisches Wasser sowie Glaziologie für Eis. Die Hydrodynamik untersucht Strömungen und Wellen, etwa zur Gestaltung von Schiffen und Wehren, zur Verbesserung von Turbinen und Antrieben sowie zum Verständnis von Tsunamis, Meeresströmungen, Sedimenttransport und Wasserstößen.

Technisch wird die Bewegungs- und Gewichtskraft von Wasser in Wassermühlen und Turbinen zur Energiegewinnung genutzt. Dampf treibt Turbinen in Kraftwerken an; die Dampfmaschine war besonders für die industrielle Revolution wichtig. Wegen seiner hohen Wärmekapazität und Verdampfungsenthalpie dient Wasser zum Heizen, Kühlen und als Kältemittel R-718. Es wird außerdem zum Reinigen, Lösen, Extrahieren, Spülen, Hochdruckreinigen und Wasserstrahlschneiden verwendet.

Wasser überträgt Druck in hydraulischen Anlagen, erzeugt Auftrieb für Schiffe und U-Boote und dient als Schallübertragungsmedium bei Echolot und Ultraschalldiagnostik. In Elektrolyse, Galvanik, Akkus und Batterien wirkt es als Dissoziationsmedium. Reinstwasser leitet elektrischen Strom schlecht; eine gute Leitfähigkeit entsteht erst durch gelöste Stoffe, die Ionen bilden. In Kernkraftwerken bremst Wasser als Moderator Neutronen ab und absorbiert in Abklingbecken ionisierende Strahlung.