Makroskopische Eigenschaften von Wasser einfach erklärt

Wenn wir uns die makroskopischen Eigenschaften von Wasser ansehen, stoßen wir schnell auf faszinierende Phänomene. Warum ist die berühmte Titanic eigentlich gesunken? Sie stieß gegen einen Eisberg. Aber hast du dich jemals gefragt, warum ein gigantischer, schwerer Eisberg überhaupt im Meer schwimmt, anstatt wie ein Stein auf den Grund zu sinken? Und wie schaffen es manche Insekten, einfach über die Wasseroberfläche zu laufen, ohne unterzugehen?

Wasser hat im Vergleich zu fast allen anderen Stoffen auf unserem Planeten ein paar echte „Superkräfte“. In dieser Lektion werden wir uns ansehen, wie die winzigen Teilchen im Wasser zusammenarbeiten, um diese erstaunlichen sichtbaren Phänomene zu erzeugen.

Vorwissen

• Dichte: Gibt an, wie viel Masse ein Stoff in einem bestimmten Volumen hat. Stoffe mit geringerer Dichte schwimmen auf Stoffen mit höherer Dichte.

  Beispiel: Holz hat eine geringere Dichte als Wasser und schwimmt deshalb oben.

• Wasserstoffbrückenbindungen: Starke Anziehungskräfte zwischen Wassermolekülen.

  Beispiel: Das leicht positive Wasserstoffatom eines Wassermoleküls zieht das leicht negative Sauerstoffatom eines anderen Wassermoleküls an wie ein Magnet.

Aufgabentyp 1: Warum Eis auf Wasser schwimmt (Die Dichteanomalie)

Normalerweise sind Stoffe in ihrem festen Zustand schwerer und dichter als im flüssigen Zustand. Wasser ist hier eine berühmte Ausnahme! Dieses Phänomen nennt man die Dichteanomalie des Wassers.

Um zu verstehen, warum das so ist, müssen wir uns Eis unter einem extrem starken Mikroskop vorstellen. Im festen Eis ordnen sich die Wassermoleküle in einem regelmäßigen Kristallgitter an. Jedes Sauerstoffatom ist dabei von genau vier Wasserstoffatomen umgeben. Das sieht aus wie eine kleine Pyramide (man nennt diese Form tetraedrisch). Zwei dieser Wasserstoffatome gehören fest zum eigenen Molekül (über kovalente Bindungen). Die anderen beiden gehören zu Nachbarmolekülen und werden über Wasserstoffbrückenbindungen angezogen.

Durch diese spezielle Anordnung entsteht ein weitmaschiges Gitter, das große, sechseckige Lücken (hexagonale Hohlräume) enthält. Wegen dieser Hohlräume braucht das Eis viel Platz. Es hat also bei gleicher Masse ein größeres Volumen als flüssiges Wasser. Das bedeutet: Eis hat eine geringere Dichte als flüssiges Wasser und schwimmt deshalb oben!

Wenn das Eis schmilzt, brechen die Wasserstoffbrückenbindungen auf. Das starre Gitter stürzt zusammen und die Wassermoleküle rutschen in die Hohlräume. Dadurch steigt die Dichte des Wassers an. Bei genau $4 \text{ °C}$ sind die Moleküle am dichtesten zusammengepackt – hier hat Wasser seine größte Dichte. Wird das Wasser noch wärmer, bewegen sich die Moleküle durch die Wärmeenergie wieder schneller, stoßen sich gegenseitig weg und die Dichte nimmt wieder ab.

Aufgabentyp 2: Die unsichtbare Haut des Wassers (Oberflächenspannung)

Ein weiteres spannendes Phänomen der makroskopischen Eigenschaften von Wasser ist die Oberflächenspannung. Hast du schon einmal beobachtet, wie sich Wassertropfen auf einem Blatt zu kleinen, runden Kugeln formen? Das liegt an der Oberflächenspannung.

Stell dir vor, du bist ein Wassermolekül tief im Inneren eines Wasserglases. Du bist komplett von anderen Wassermolekülen umgeben. Überall bilden sich Wasserstoffbrückenbindungen, die gleichmäßig aus allen Richtungen an dir ziehen. Die Kräfte heben sich gegenseitig auf und du schwebst entspannt im Gleichgewicht.

Bist du aber ein Molekül ganz oben an der Wasseroberfläche, ändert sich die Situation dramatisch! Über dir ist nur Luft, also gibt es dort keine Wassermoleküle, die dich nach oben ziehen könnten. Du wirst nur von den Molekülen neben und unter dir angezogen.

Dieser ständige Zug nach innen sorgt dafür, dass die Moleküle an der Oberfläche fest zusammenhalten. Die Oberfläche verhält sich dadurch wie eine straff gespannte, elastische Haut. Weil alle Oberflächenmoleküle nach innen gezogen werden, versucht das Wasser, seine Oberfläche so klein wie möglich zu machen. Die Form mit der kleinsten Oberfläche ist eine Kugel – deshalb bildet Wasser kugelförmige Tropfen!

Durchgerechnete Beispiele

Beispiel 1

Aufgabe

Der übervolle Wasserglas-Trick. Ziel: Die elastische Haut der Oberflächenspannung mit bloßem Auge sichtbar machen. Materialien: Ein kleines Trinkglas, Wasser, eine Pipette (oder ein kleiner Löffel).

Lösung Schritt für Schritt

Fortschritt

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   Schritt 1
   Glas füllen

   Stelle das Glas auf einen flachen Tisch und fülle es mit Wasser, bis es scheinbar komplett voll ist.

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   Schritt 2
   Wasser nachtropfen

   Nimm die Pipette und tropfe sehr vorsichtig und langsam weiteres Wasser in die Mitte des Glases.

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   Schritt 3 · Ergebnis
   Oberfläche beobachten

   Gehe auf Augenhöhe mit dem Glasrand und beobachte die Wasseroberfläche genau.

Ergebnis:

Das Wasser läuft nicht sofort über! Stattdessen wölbt sich die Wasseroberfläche wie eine Kuppel deutlich über den Rand des Glases hinaus. Die Wasserstoffbrückenbindungen ziehen die Moleküle an der Oberfläche stark nach innen. Diese Oberflächenspannung hält das Wasser wie eine unsichtbare Haut zusammen und verhindert, dass es über den Rand fließt, bis das Gewicht des Wassers schließlich zu groß wird.

Wichtige Erkenntnisse

• Dichteanomalie: Eis schwimmt auf Wasser, weil die Moleküle im festen Zustand ein Gitter mit großen Hohlräumen bilden. Dadurch hat Eis eine geringere Dichte als flüssiges Wasser.

• Das Dichtemaximum: Bei genau $4 \text{ °C}$ hat flüssiges Wasser seine größte Dichte.

• Oberflächenspannung: Moleküle an der Wasseroberfläche werden nur nach innen gezogen. Das erzeugt eine elastische „Haut“ und sorgt dafür, dass Wasser kugelförmige Tropfen bildet.