Elemente und Moleküle, Schulbuch

118 6 LUft, WASSeR, BoDeN – UNSeRe UMWeLt 6.3 WASSER Wasserhärte • Härtegrade • Wasseraufbereitung • Trinkwasser Etwa zwei Drittel der Erdoberfläche sind mit Wasser bedeckt. Der Wasservorrat der Erde wird auf 1,65 • 10 18 t geschätzt. Davon sind 0,275 • 10 18 t in den Gesteinen ge- bunden und 1,37 • 10 18 t sind Meerwasser. Dieses hat einen durchschnittlichen Salz- gehalt von 3,5 % (2,7 % Natriumchlorid, Rest andere Salze) und ist als Trinkwasser für den Menschen ungeeignet. Wasser mit einem Salzgehalt unter 0,02 % ist für die Verwendung als Trinkwasser geeignet und wird als Süßwasser bezeichnet. Es ist als Grundwasser und als Oberflächenwasser (Flüsse und Seen) am Land verteilt. Dieser Süßwasservorrat beträgt weltweit 4,2 • 10 15 t. Eine weit größere Menge an Süßwas- ser (29 • 10 15 t) befindet sich als Eis an den Polkappen. Eigenschaften des Wassers Der Siedepunkt (100 °C) und der Schmelzpunkt (0 °C) des Wassers sind die Fixpunk- te der Celsius-Temperaturskala. Sie liegen für ein kleines Molekül überraschend hoch. Der Grund dafür sind die stark polare Bindung und der gewinkelte Bau des Wasser- Moleküls. Dies führt zu einem starken Dipolcharakter und zur Ausbildung fester Wasserstoffbrücken . Sie bewirken, dass Wasser-Moleküle in flüssigem Wasser als größere Assoziate („ Cluster “) vorliegen. Ohne die Wasserstoffbrücken läge der (aus der Molekülmasse berechnete) Siedepunkt des Wassers bei etwa –80 °C und der Schmelzpunkt bei –100 °C. Die Wasserstoffbrücken sind auch dafür verantwortlich, dass Wasser die höchste Schmelzwärme (333,3 kJ/kg) und Verdampfungswärme (2256,5 kJ/kg) aller moleku- laren Stoffe hat. Beim Schmelzen wird ein Teil der Wasserstoffbrücken des Eises aufgebrochen, beim Verdampfen fast alle Wasserstoffbrücken des flüssigen Was- sers. Nicht einmal im Gaszustand liegen ausschließlich einzelne Wasser-Moleküle vor, sondern zum Teil Dimere (H 2 O) 2 . Die aus Gasdichtemessungen an Wasserdampf errechnete Molmasse des Wassers beträgt 18,31 gegenüber 18,015 des einzelnen Wasser-Moleküls. Die hohen Schmelz- und Verdampfungswärmen haben großen Einfluss auf Umwelt, Wetter und Klima. So verhindert die Schmelzwärme eine zu rasche Schneeschmelze im Frühjahr (Überschwemmungen in Gebirgslagen) und die Verdampfungswärme hält die Wasserverdunstung und Kondensation in Grenzen (verhindert Austrocknung von Binnengewässern und extrem starke Niederschläge). Im festen Zustand kristallisiert Wasser in einem Gitter, in dem eine maximale Zahl von Wasserstoffbrücken realisiert ist. Dieses Eisgitter hat Hohlräume zwischen den Molekülen und daher einen hohen Volumsbedarf. Beim Schmelzen rücken die Was- ser-Moleküle näher zusammen. Daher hat Eis eine um 8,3 % geringere Dichte als flüssiges Wasser von 0 °C und schwimmt auf Wasser. Auch dies unterscheidet Was- ser von fast allen anderen Stoffen. Die Volumsvergrößerung beim Erstarren ist ein wichtiger Faktor bei der Gesteinsverwitterung (Spaltenfrost). Auch Straßenschäden durch Frostaufbrüche entstehen durch die Ausdehnung gefrierenden Wassers. Da- mit der Motorblock nicht durch gefrierendes Kühlwasser gesprengt wird, setzt man dem Kühlwasser im Winter Frostschutzmittel zu, die das Gefrieren verhindern. Die Cluster des flüssigen Wassers haben bei 0 °C noch weitgehend die voluminöse Struktur des Eises. Bei weiterer Erwärmung löst sich diese Struktur zunehmend auf, wodurch eine Volumsverringerung entsteht. Diese ist bis 4 °C größer als die Wärme- ausdehnung, erst danach überwiegt letztere. Daher hat Wasser bei 4 °C seine größ- te Dichte. Diese Dichteanomalie bewirkt, dass in Gewässern, die tief genug sind, unabhängig von der Jahreszeit am Grund eine Temperatur von 4 °C herrscht. Dies ermöglicht das Überwintern von Wasserlebewesen und verhindert einen Wasser- austausch mit der Oberfläche. Das Dipolverhalten macht Wasser zu einem ausgezeichneten Lösungsmittel für po- lare Moleküle und Salze. Gesamter Wasservorrat Süßwasser Trinkwasser Abb. 118.3: Eisgitter Abb. 118.2: Clusterbildung beim Wasser Abb. 118.1: Wasservorrat der Erde Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv