FAQ Chemie des Wassers

Wasser ist eine sehr wichtige Substanz, da es den größten Anteil an den Körpern von Organismen besitzt. Was aber ist Wasser genau?  Wasser ist eine Art Skelett. Es besteht aus kleinen Partikeln (den Atomen) wie jede andere Substanz auf der Erde. Eines dieser Atome wird Wasserstoff genannt und das andere wird als Sauerstoff bezeichnet. Wie Sie vermutlich wissen, enthält die Luft die wir atmen Sauerstoff und zwar zu ungefähr 21%. Ein Partikel Wasser wird als Wassermolekül bezeichnet. Wenn viele lose Wassermoleküle zusammen binden, können wir das Wasser sehen und es trinken oder es benutzen. 

Wie ist ein Wassermolekül aufgebaut?

Ein Wassermolekül besteht aus drei Atomen; zwei Wasserstoffatomen und ein Sauerstoffatom, die, ähnlich Magneten, zusammen binden. Hieraus ergibt sich die chemische Formel von Wasser: H₂O ("Wasserstoffoxid"). Die Atome bestehen aus Materie, die in der Mitte einen Atomkern haben. Der Unterschied zwischen den verschiedenen Atomen wird durch Atomzahlen ausgedrückt. Die Atomzahl eines Atoms hängt von der Protonenanzahl im Kern des Atoms ab. Protone sind kleine positiv geladene Partikel. Wasserstoff besitzt ein Proton im Kern und Sauerstoff acht Protonen. Es gibt auch ungeladene Partikel im Kern, die als Neutronen bezeichnet werden. Neben Protonen und Neutronen bestehen Atome auch aus negativ geladenen Elektronen, die in einer Elektronwolke um den Kern lokalisiert sind. Die Anzahl der Elektronen in einem Atom entspricht der Anzahl der Protonen im Kern, so dass ein Atom nach außen elektrisch ungeladen ist.  Durch die Anziehungskräfte zwischen den Protonen und den Elektronen wird das Atom zusammengehalten.

Wieviel wiegt ein Wassermolekül?

Das Molekülgewicht ist durch die Atommassen der Atome definiert, aus denen das Molekül aufgebaut ist. Die Masse eines Atoms erhält man, indem man die Anzahl der Protonen und Neutronen im Kern addiert. Da die Masse der Elektronen verschwindend klein ist, kann diese vernachlässigt werden. Wenn die relativen Atommassen der verschiedenen Atome bekannt sind müssen diese einfach addiert werden um das Molekulargewicht (= Molmasse) des Wassermoleküls in der Einheit Gramm pro mol [g/mol] zu bestimmen. Durch ein Mol wird das molare Gewicht eines Moleküls ausgedrückt, ausgehend von dem Gewicht eines Wasserstoffmoleküls, das 1 mol wiegt. Wasserstoff besitzt  die relative Atommasse 1 g/mol und Sauerstoff die relative Atommasse 16 g/mol. Wie bereits erwähnt besteht das Wassermolekül aus zwei Wasserstoff- und einem Sauerstoffatom. Hierraus berechnet sich das Molekulargewicht des Wassermoleküls zu 1 g/mol + 1 g/mol + 16 g/mol = 18 g/mol.  Wenn nun die mol- Anzahl von Wasser bekannt ist, kann man die Masse des Wassers berrechnen, indem man das Molekulargewicht des Wassers verwendet. Das Molekulargewicht der verschiedenen Atome kann im Periodensystem der Elemente nach Mendelejef gefunden werden.

In welchen Zuständen (Phasen) kommt Wasser vor?

Wasser kommt in drei unterschiedlichen Zuständen vor: fest, flüssig und gasförmig. Bei chemischen Normbedingungen (20 ºC, 1013 hPa) ist Wasser flüssig, unter 0 ºC (Gefrierpunkt) gefriert Wasser und geht in den festen Zustand (Eis) über. Wasser geht in den gasförmigen Zustand über (verdampft), wenn die Temperatur auf über 100 ºC (Verdampfungspunkt) erwärmt wird. Die Verdampfungsgeschwindigkeit hängt von der Temperatur ab- je höher diese ist, desto schneller verdampft das Wasser. Unter anderen Bedingungen, zum Beispiel wenn der Druck oder die Dichte des Wassers verändert wird, variieren die Temperaturen der Zustandsänderungen teilweise enorm. Dies wird in so genannten Zustandsdiagrammen dargestellt, in denen zum Beispiel der Druck über der Temperatur aufgetragen wird.

Was passiert bei einer Phasenänderung des Wassers?

Als Phasenänderung wird die Änderung des Zustandes des Wassers bezeichnet, zum Beispiel die Änderung von flüssig zu gasförmig ("verdampfen") oder von fest zu flüssig ("schmelzen"). Wenn eine Substanz wie zum Beispiel Wasser die Phase ändert, ändert sich nur der physikalische Zustand und die Bindung der Wassermoleküle untereinander, nicht jedoch die chemische Struktur und Eigenschaften der Atome. Im festen Zustand sind die Wassermoleküle fest und relativ unbeweglich miteinander gebunden, im flüssigen Zustand bestehen mehr Bewegungsmöglichkeiten und die Moleküle entfernen sich weiter voneinander weg. Im gasförmigen Zustand, dem so genannten Wasserdampf, sind die Moleküle nochmals beweglicher und weiter voneinander entfernt, deshalb ist Wasserdampf auch unsichtbar.

Warum schwimmt Eis im Wasser oben an der Oberfläche?

Wenn Substanzen gefrieren rücken die Moleküle näher zusammen, was eine Vergrößerung der Dichte entspricht. Wasser zeigt hier ein anderes Verhalten, da es sich bei Erreichen des Gefrierpunktes (bei 0 ºC) um etwa 1/11 seines Volumens ausdehnt und zu Eis erstarrt. Dieses Volumenvergrößerung bedeutet eine Verkleinerung der Dichte. Wenn zwei miteinander unlösbare Substanzen vermischt werden, ordnet sich die Substanz mit der kleineren Dichte über der Substanz mit der größeren Dichte. Bei Wasser bedeutet dies, dass das Eis an der Wasseroberfläche schwimmt. Weiterhin kann bei Wasser eine Anomalie festgestellt werden: Die größte Dichte besitzt Wasser bei einer Temperatur von 4 ºC. Bei entsprechenden Temperaturen bildet Wasser von 4 ºC also immer die unterste Gewässerschicht. Hierdurch ist sichergestellt, dass Gewässer im Winter nicht völlig gefrieren kann und so die Fische in der untersten Wasserschicht überwintern können ohne zu erfrieren.

Woher kommt es, dass nicht alle Substanzen wasserlöslich sind?

Die Wasserlöslichkeit einer Substanz bestimmt sich über die so genannte Polarität. Eine polare Substanz kann sich etwa wie ein Magnet mit zwei Polen vorgestellt werden. Wenn nun Wasser mit einer anderen ebenfalls polaren Substanz in Verbindung kommt, ziehen sich die Pole der Substanzen an und die Substanz vermischt sich mit dem Wasser. Dies bedeutet, dass die Substanz wasserlöslich ist. Unpolare Substanzen tragen im Gegensatz zu den polaren Substanzen keine elektrischen Ladungen. Solche unpolaren Bindungen werden auch Atombindungen genannt. Unpolare Substanzen, wie zum Beispiel Öle, sind nicht mit polaren Substanzen, wie zum Beispiel Wasser, vermischbar. Da Öle in der Regel eine geringere Dichte als Wasser haben, schwimmen diese auf dem Wasser an der Obefläche auf.

Was ist "hartes" Wasser?

Das in der Natur vorkommende Wasser (Grundwasser, Trinkwasser, Seewasser usw.) ist nicht "chemisch rein". Neben gelösten Gasen wie zum Beispiel Sauerstoff oder Stickstoff sind diese Elemente unter anderem Mineralien, besonders Magnesium- und Kalziumionen (positiv geladene, die beide auch als so genannte "Härtebilder" bezeichnet werden). Je mehr von diesen Mineralien im Wasser enthalten ist, desto "härter" ist es. Beim Kochen des Wassers fallen die Kalziumionen als so genannter Kalk aus. Dieser Vorgang wird als "Wassersteinbildung" bezeichnet. Hartes Wasser erfordert bei Waschvorgängen weiterhin einen Mehrverbrauch an Seife, da diese sich schlecht in hartem Wasser löst und mit den Härtebildnern ausfällt und waschunwirksam wird. 

Welche physikalischen und chemischen Eigenschaften besitzt Wasser?

Es gibt verschiedene physikalische und chemische Eigenschaften und Merkmale von Wasser oder Substanzen im allgemeinen, die oft verwendet werden. Bei physikalischen Vorgängen bleiben die beteiligten Stoffe mit ihren charakteristischen Eigenschaften vorhanden, während bei chemischen Vorgängen (Reaktionen) neue Stoffe entstehen. Die chemischen und physikalischen Eigenschaften einer Substanz können Aufschlüsse über das Verhalten der Substanz unter gegebenen Bedingungen geben. Einige wichtige Größen sind im Folgenden aufgelistet:  

Um Einheiten umzurechnen, benutzten Sie bitte unsere Lenntech Kalkulatoren.

- Dichte: Als die Wasserdichte bezeichnet man das Verhältnis der Masse des Wassers zu dem Volumen das Wassers. Die Einheit der Wasserdichte wird normalerweise in Kilogramm pro Kubikmeter [kg/m³] angegeben. Die Dichte fester und flüssiger Stoffe ist temperaturabhängig, die Dichte gasförmiger Stoffe ist temperatur- und druckabhängig. Bei einer Temperatur von 20 ºC und einem Druck von 1013 hPa (Normdruck) beträgt die Dichte von Wasser ungefähr 1000 kg/m³ (physikalisch).

- Temperatur: Die Temperatur kennzeichnet den Wärmezustand des Wassers. Viele physikalische Größen sind temperaturabhängig, unter anderem das Volumen des Körpers, der spezifische Wiederstand, die Schallgeschwindigkeit oder die spezifische Wärmekapazität. Bei Normdruck gefriert Wasser bei 0 ºC und siedet bei 100 ºC (physikalisch).

- Leitfähigkeit: Dieser Wert gibt Aufschluss über die Menge an Elektrizität, die das Wasser leiten kann. Die Einheit wird in "Siemens pro Meter" [S/m] angegeben. Dies enspricht der Einheit [1/(m*W)]. Die elektrische Leitfähigkeit von Flusswasser liegt ungefähr zwischen 0,1 und 0,01 1/(m*W) (physikalisch).

- Lichtabsorption: Das auf das Wasser auftreffende Licht wird zum Teil absorbiert ("geschluckt") und teilweise reflektiert bzw. durchgelassen (physikalisch).

- Viskosität: Als Viskosität wird die Zähigkeit oder die innere Reibung des Wassers bezeichnet. Bei Wasser (wie bei Flüssigkeiten im allgemeinen) nimmt die Viskosität bei steigender Temperatur ab. Die Einheit der (dynamischen) Viskosität wird in "Pascalsekunden" [Pa*s], d.h. in Kilogramm pro (Meter*Sekunde) [kg/(m*s)] angegeben. Bei 20 ºC beträgt die dynamische Viskosität von Wasser 1,002*10E-3 Pa*s (physikalisch).

- pH-Wert: Der pH-Wert ist ein Mass für den sauren, neutralen oder basischen Charakter von Wasser oder einer flüssigen Substanz im Allgemeinen. Der pH-Wert bewegt sich auf einer Skala zwischen 0 und 14. Eine saure Substanz hat einen ph-Wert von zwischen 0 und 7- je geringer der pH-Wert, desto saurer die Substanz. Wenn der pH-Wert den Wert 7 hat wird die Substanz als neutral bezeichnet. Ein pH-Wert > 7 kennzeichnet eine basische (alkalische) Substanz. Der pH-Wert bestimmt sich über die Anzahl der Wasserstoffatome in der Substanz: Je höher die Anzahl der Wasserstoff =(H+) Atome, desto geringer der pH-Wert. Der pH-Wert wird mit so genannten "Universalindikatoren" gemessen. Diese sind Papierstreifen, die, wenn sie in die Substanz getaucht werden, durch eine Farbänderung den pH-Wert anzeigen (chemisch).

Bitte klicken Sie hier um zu weiterführenden Informationen über die Chemie des Wassers zu kommen.

Benutzen Sie bitte unser Wasser-Lexikon um unklare Begriffe zu klären!

Wenn Sie weitere Fragen haben, zögern Sie nicht, uns zu kontaktieren.