Wasser
Bedeutung des Wassers
Wasser ist für alle Lebensvorgänge essentiell. Das Leben ist nach dem heutigen Erkenntnisstand im Wasser entstanden. Nicht zufällig zählt Wasser bereits bei den frühesten Philosophen zu den vier Urelementen. Thales von Milet sah im Wasser sogar den Urstoff allen Seins. Vor allem seine reinigende Kraft gab immer wieder Anlass über die Bedeutung des Wassers für das Leben und auch für ein Leben nach dem Tod nachzudenken (s. Taufe; Weihwasser).
Wasser beeinflusst auch entscheidend unser Wetter und Klima, nicht nur direkt durch Niederschläge. Große Wärmemengen werden z.B. über den Golfstrom nach Europa oder über den Humboldtstrom entlang der Westküste Südamerikas transportiert.
Große Teile der Erde sind vom Wasser bedeckt (über 70 %, Wasserhalbkugel). Die Versorgung der Weltbevölkerung mit hygienisch und toxikologisch unbedenklichem Wasser stellt eine der größten Herausforderungen der Menschheit in den nächsten Jahrzehnten dar.
Die Wasservorkommen der Erde belaufen sich auf ca. 1,38 Milliarden km3. Der weitaus größte Teil, 97,4% davon ist das in den Weltmeeren vorkommende Salzwasser. Nur 2,6% davon (36 Millionen km3) liegen als Süßwasser vor. Das meiste Süßwasser ist als Eis an den Polen und in Gletschern gebunden; nur 0,3% der weltweiten Wasservorräte (3,6 Millionen km3) sind als Trinkwasser verfügbar.
Die zur Trinkwasserversorgung nutzbaren Wasservorkommen werden unterschieden in Niederschlagswasser, Oberflächenwasser in Flüssen, Seen, Talsperren, Grundwasser und Quellwasser.
Die Nutzung der Gewässer wird im Wasserhaushaltsgesetz (in D, Ö und CH?) geregelt.
In Deutschland fallen im Mittel 760 mm Niederschläge im Jahr, die damit etwa 80% des verfügbaren Wasserdargebotes von 164 Mrd. m3 ausmachen. Die restlichen 20% stammen aus dem Zufluss von Oberliegern (v.a. Schweiz, Österreich, Tschechien).
Der Wasserbedarf in Deutschland betrug (1991) 47,9 Mrd. m3, wovon allein 29 Mrd. m3 als Kühlwasser in Kraftwerken diente. Rund 11 Mrd. m3 wurden direkt von der Industrie genutzt, 1,6 Mrd. m3 von der Landwirtschaft.
Nur 6,5 Mrd. m3 dienten der Trinkwasserversorgung.
Der durchschnittliche Wasserverbrauch beträgt rund 130 Liter pro Einwohner und Tag.
Physikalisch-chemische Daten (bei einem Luftdruck von 1013 hPa und keinen gelösten Stoffen)
Gefrierpunkt: 0° Celsius
Siedepunkt: 100° Celsius
höchste Dichte: 1g / cm3 bei 4° Celsius
geruch- und geschmacklos, trotzdem als Trinkwasser idealerweise wohlschmeckend
transparent und beinahe farblos, in dicken Schichten blaugrün
gutes Lösungsmittel für viele Stoffe (solche Stoffe werden als hydrophile bezeichnet)
Spez. Wärmekapazität (c-Wert): 4,18 kJ/(kg K) bei 20° Celsius
Besondere Eigenschaften
Dichteanomalie des Wassers Im festen Aggregatzustand als Eis schwimmt es auf dem flüssigen Wasser, d.h.
es gefriert und erstarrt von oben nach unten. Das ist bei den meisten anderen Stoffen umgekehrt. Würde sich Wasser wie die meisten anderen Flüssigkeiten verhalten, würden alle Gewässer im Winter bis zum Boden zufrieren, selbst wenn die Bodentemperatur über 0 Grad läge, weil das an der Oberfläche entstehende Eis absänke. Das würde das Todesurteil für die meisten wasserlebenden Tiere bedeuten.
Wasser hat im Vergleich mit anderen Stoffen eine relativ hohe spezifische Wärmekapazität (c-Wert). Es speichert also verhältnismäßig viel Wärmeenergie (bei Raumtemperatur etwa das doppelte von z.
B. Öl) bzw. es benötigt, um erhitzt zu werden, vergleichsweise viel thermische Energie. Dadurch eignen sich Wasser bzw. Eis für Wärmflaschen bzw. Kühlboxen besser als andere chemische Stoffe.
Aus dem gleichen Grund ist Wasser auch ein bevorzugtes Medium für den Wärmetransport, z.B. in Gebäudeheizungen und KFZ-Kühlanlagen.
Wasser hat einen relativ hohen Siedepunkt (das gleich schwere Methan siedet bei -164° Celsius). Wenn Wasser den erwarteten Gesetzmäßigkeiten entspräche, wäre es flüssig nicht vorhanden: es wäre verdampft.
Verantwortlich für die meisten anomalen Eigenschaften des Wassers sind die intermolekular wirkenden Wasserstoffbrückenbindungen, die sich aus dem Dipolmoment des Wassermoleküls erklären lassen:
Dipolmoment des Wassermoleküls
Das Dipolmoment des Moleküls bedeutet, dass das Molekül polar ist (elektrisch positiv an der Seite des Wasserstoffatoms und elektrisch negativ an der Seite des Sauerstoffatoms, vgl.
Abbildung). Darum kann es von bestimmten elektromagnetischen Wellen, den Mikrowellen, in stärkere Schwingungen versetzt werden, welche zur Erwärmung des Wassers führen werden.
Die Polarität reicht als Grund für das beobachtete Dipolmoment aber nicht aus: Wäre das Molekül geradlinig ausgestreckt, würde sich der Schwerpunkt der beiden elektrisch positiven Ladungen der Wasserstoffatome in der Mitte auf das Sauerstoffatom bezogen befinden, und das Molekül würde trotz der polaren Bindungen kein Dipolmoment besitzen. Das Molekül ist aber winklig, was mit den beiden einsamen Elektronenpaaren auf dem Sauerstoffmolekül erklärt werden kann.
Wassermoleküle ziehen sich demnach einander stark an, was auch auf die äußerst geringen Größe des polar gebundenen Wasserstoffatoms zurückzuführen ist: sein einziges Elektron befindet sich in der Elektronenpaarbindung mit dem Sauerstoffatom, und dieses Elektronenpaar befindet sich dichter am Sauerstoffatom (daher ist die Bindung polar). Der Wasserstoffkern ragt daher etwas hervor.
Er kann sich somit dicht an ein anderes Sauerstoffatom nähern und damit eine starke Bindung eingehen, die Wasserstoffbrücke.
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