Wasser als Stoff

Wasser ist der häufigste Stoff auf der Erdoberfläche und hat einige ungewöhnliche Eigenschaften. Reines Wasser siedet bei Normaldruck bei 100 °C und erstarrt bei 0 °C. Seine größte Dichte hat es aber nicht am Gefrierpunkt, sondern bei etwa 4 °C. Eis ist deshalb leichter als flüssiges Wasser und schwimmt oben. Darum frieren Seen von oben zu, und Fische überleben am Grund im etwa 4 °C warmen Wasser statt zu erfrieren.

Wasser ist kein Element, sondern eine Verbindung. Ein Wassermolekül H2O besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom, die durch feste chemische Bindungen zusammengehalten werden. Ein typischer Fehler ist die Vorstellung, Wasser sei ein Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff. In einem Gemisch behalten die Stoffe ihre Eigenschaften. Wasser löscht aber Feuer, während Wasserstoff selbst brennt und Sauerstoff die Verbrennung erst fördert. Die Atome sind also chemisch fest verbunden und bilden einen völlig neuen Stoff mit eigenen Eigenschaften.

Diese Verbindung kann man in beide Richtungen untersuchen. Verbrennt Wasserstoff mit Sauerstoff, entsteht Wasser – das ist eine Synthese, bei der Energie freigesetzt wird. Mit elektrischem Strom lässt sich Wasser wieder in die beiden Gase zerlegen, das ist eine Elektrolyse und braucht zugeführte Energie. Wasser selbst weist man mit weißem Kupfersulfat nach, das sich bei Kontakt mit Wasser charakteristisch blau färbt.

Die meisten Stoffe werden beim Abkühlen immer dichter, bis sie fest werden – Wasser verhält sich anders. Kühlt man Wasser von hohen Temperaturen ab, steigt seine Dichte zunächst normal an, erreicht bei etwa 4 °C ihr Maximum und nimmt danach beim weiteren Abkühlen bis zum Gefrierpunkt wieder leicht ab. Dieses ungewöhnliche Verhalten nennt man die Dichteanomalie des Wassers.

Der Grund liegt im besonderen Aufbau der Wassermoleküle: Beim weiteren Abkühlen unter 4 °C beginnen sich die Moleküle zu einer lockeren, sechseckigen Gitterstruktur zu ordnen, die mehr Platz braucht als die ungeordnete Anordnung bei höheren Temperaturen. Feste Eiskristalle haben dadurch eine geringere Dichte als flüssiges Wasser bei 4 °C und schwimmen deshalb oben, statt wie bei den meisten anderen Stoffen abzusinken.

Der wichtigste Fehler wurde bereits angesprochen: Wasser als Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff zu betrachten, statt als chemische Verbindung. Ein Gemisch würde die brennbaren und brandfördernden Eigenschaften seiner Bestandteile behalten – Wasser aber löscht Feuer, weil die Atome fest gebunden sind und ein völlig neuer Stoff mit neuen Eigenschaften entstanden ist.

Ein zweiter Fehler betrifft die Dichteanomalie: Viele denken, Wasser sei bei 0 °C am dichtesten, weil es dort gefriert. Tatsächlich liegt das Dichtemaximum bei etwa 4 °C, und sowohl wärmeres als auch kälteres Wasser bis hinunter zum Eis ist weniger dicht. Dieser Denkfehler übersieht, dass Gefrierpunkt und Dichtemaximum zwei unterschiedliche Temperaturen sind.

Ein dritter Fehler ist, bei der Elektrolyse von Wasser ein Verhältnis von 1 zu 1 zwischen Wasserstoff und Sauerstoff anzunehmen. Richtig ist das Verhältnis 2 zu 1, weil die Reaktionsgleichung 2 H2O → 2 H2 + O2 lautet. Wer die Koeffizienten nicht beachtet, überschätzt die entstehende Sauerstoffmenge um das Doppelte.

Ohne die Dichteanomalie des Wassers würde ein zugefrorener See von unten nach oben zufrieren, weil das dichtere Eis absinken und den ganzen See von Grund auf durchfrieren lassen würde. Weil Eis aber leichter ist und obenauf schwimmt, bleibt darunter flüssiges, etwa 4 °C warmes Wasser erhalten, in dem Fische und andere Wasserlebewesen den Winter überleben können. Die Eisschicht wirkt dabei zusätzlich wie eine Dämmschicht gegen die kalte Luft.

Auch für Wasserleitungen ist die Anomalie relevant, allerdings mit unangenehmer Folge: Weil Wasser beim Gefrieren nicht schrumpft, sondern sich ausdehnt, können volle Leitungen bei Frost platzen. Aus demselben Grund sprengt gefrierendes Wasser in feinen Rissen von Gestein dieses über viele Frost-Tau-Zyklen hinweg auf, ein wichtiger Verwitterungsprozess in der Natur.

In der Industrie wird Wasser als Verbindung mit sehr präzisen Eigenschaften genutzt, etwa als Kühlmittel in Kraftwerken oder als Reaktionspartner bei der Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse, die als klimafreundliche Methode zur Wasserstofferzeugung diskutiert wird, wenn der benötigte Strom aus erneuerbaren Quellen stammt.