EL-MO Elemente und Moleküle, Schulbuch

Vorkommen – Sieden und Schmelzen – Eis – Anomalie 44 44 Wasser – das wichtigste Dipol-Molekül Abb. 044–1: Wasservorrat der Erde Abb. 044–3: Verhalten von Wasser im Bereich von 0 °C Vorkommen von Wasser 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 gebunden und 1,37·10 18 t sind Meerwasser. Dieses hat einen durchschnittlichen Salzgehalt von 3,5 % (2,7 % Natriumchlorid, Rest andere Salze) und ist als Trink- wasser für den Menschen ungeeignet. Wasser mit einem Salzgehalt unter 0,02 % ist hingegen 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 Süßwasser (29· 10 15 t) befindet sich als Eis an den Polkappen. Siede- und Schmelzpunkt Der Siedepunkt (100 °C) und der Schmelzpunkt (0 °C) des Wassers sind die Fix- punkte der Celsius-Temperaturskala. Sie liegen für ein kleines Molekül überra- schend 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 Wasser- stoffbrücken läge der (aus der Molekülmasse berechnete) Siedepunkt des Was- sers bei etwa –80 °C und der Schmelzpunkt bei –100 °C. Schmelz- und Verdampfungswärme Die Wasserstoffbrücken sind auch dafür verantwortlich, dass Wasser die höchs- te Schmelzwärme (333,3 kJ/kg) und Verdampfungswärme (2256,5 kJ/kg) aller molekularen Stoffe hat. Beim Schmelzen wird ein Teil der Wasserstoffbrücken des Eises aufgebrochen, beim Verdampfen fast alle Wasserstoffbrücken des flüssigen Wassers. Nicht einmal im Gaszustand liegen ausschließlich einzelne Wasser-Moleküle vor, sondern zum Teil Dimere (H 2 O) 2 . Die hohen Schmelz- und Verdampfungswärmen haben großen Einfluss auf Umwelt, Wetter und Klima. So verhindert die Schmelzwärme eine zu rasche Schneeschmelze im Frühjahr (Überschwemmungen), und die Verdampfungs- wärme hält die Wasserverdunstung und Kondensation in Grenzen (verhindert Austrocknung von Binnengewässern und extrem starke Niederschläge). Der feste Zustand 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 höheren Volumsbedarf als der flüssige Zustand. Die Volumsvergrößerung beim Erstarren ist ein wichtiger und oft unangenehmer Faktor bei der Gesteinsverwitterung (Spaltenfrost). Auch Straßenschäden durch Frostaufbrüche entstehen durch die Ausdehnung gefrierenden Wassers. Beim Schmelzen rücken die Wasser-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 Wasser von fast allen anderen Stoffen. Das Eis in der Nordpolregion (Arktische Eiskappe) besteht großteils aus Packeis (schwimmt im Wasser), das Eis in der Südpolregion (Antarktischer Eisschild) be- steht großteils aus Gletschereis (Antarktischer Kontinent unter dem Eis). Die Anomalie des Wassers Die Cluster des flüssigen Wassers haben bei 0 °C noch weitgehend die volumi- nöse Struktur des Eises. Bei weiterer Erwärmung löst sich diese Struktur zuneh- mend auf, wodurch eine Volumsverringerung entsteht. Diese ist bis 4 °C größer als die Wärmeausdehnung, erst danach überwiegt letztere. Daher hat Wasser bei 4 °C seine größte 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 Wasseraustausch mit der Oberfläche. 4 °C 3 °C 2 °C 1 °C 0 °C 4 °C 5 °C 6 °C 7 °C 8 °C Eis Winter Sommer Temperatur [in °C] –5 –4 –3 –2 –1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 1,1 1,0 0,9 0,96 Volumen [in L] Gesamter Wasservorrat Süßwasser Trinkwasser Exkurs Abb. 044–2: Clusterbildung beim Wasser Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv