Die Anomalie des Wassers

[Stephen]

Hallo zusammen,

ich habe letztens unter der Überschrift "Die bizarre Welt des Wassers" von Alexander Stirn einen sehr interessanten Artikel gelesen. Darin wird behauptet, dass Wissenschaftler bisher 80 Anomalien festgestellt haben, in denen sich das Wasser gegen die Gesetze von Physik und Chemie "wehrt".

Drei Beispiele:

Eigentlich dürfte Wasser in flüssiger Form gar nicht existieren - zumindest nicht bei Raumtemperatur. Seine beiden Bestandteile (Wasserstoff und Sauerstoff) sind so leicht, dass sie auch in ihrer verbundenen Form gasförmig sein müssten.

Das kuriose Verhalten des Wassers lässt Fische in zugefrorenen Seen überleben.

Die Formel H[down]2[/down]O stimmt nicht. Ein Berliner Forscherteam hat sie auf H[down]1[/down][down],[/down][down]5[/down]O geschrumpft.

Quelle: P.M. Magazin 07/2012

Ist das alles nur Humbug oder steckt dahinter auch ein Körnchen Wahrheit? Oder lese ich zuviel P.M.?

Gruß
Steffen

[Skeltek]

Eigentlich dürfte Wasser in flüssiger Form gar nicht existieren - zumindest nicht bei Raumtemperatur. Seine beiden Bestandteile (Wasserstoff und Sauerstoff) sind so leicht, dass sie auch in ihrer verbundenen Form gasförmig sein müssten.

Der erste Satz ist Quatsch, der zweite stimmt.

Die Formel H[down]2[/down]O stimmt nicht. Ein Berliner Forscherteam hat sie auf H[down]1[/down][down],[/down][down]5[/down]O geschrumpft.

Quelle: P.M. Magazin 07/2012

Klingt nach völlig aus dem Zusammenhang gerissen. Möglicherweise hat er den maximalen Sättigungsgrad oder sowas entdeckt und die Formel war von ihm selbst nicht ernst gemeint. Ich kann die Formel ja auch auf H2ONaCl bringen.

[seeker]

Wasser ist schon ein besonderer Stoff.
Dass es sich gegen irgendetwas "wehrt" ist etwas plakativ formuliert.

Es hat einfach eine einzigartige Kombination spezieller Eigenschaften:
Sehr hoher Schmelz- und Siedepunkt für ein so leichtes Molekül, wegen der polaren Bindung und der Asymmetrie, die zum ausgeprägten Dipolcharakter führt... und den damit zusammenhängenden Wasserstoffbrücken und der Clusterbildung.
Alle Wasserstoffverbindungen der umliegenden Elemente und bes. der Elemente in derselben Hauptgruppe sind gasförmig, obwohl z.T. viel schwerer, obwohl z.T. elektronegativerer Partner (F): CH4, NH3, HF, HCl, SH2, PH3, SeH2, TeH2, ... alle haben geringere Siede- und Schmelzpunkte, sind unter Normalbedingungen Gase
(wobei Fluorwasserstoff erst bei 19,5°C siedet, also fast flüssig unter NB ist).

Dann:
sehr hohe Wärmekapazität.
hohe Oberflächenspannung
Dichteanomalie
amphoterer Stoff (kann sowohl als Säure als auch als Base reagieren)
macht Autoprotolyse
sehr gutes Lösungsmittel für viele Stoffe
weitere Besonderheiten beim Erstarren, Schmelzen und bei der Kristallbildung
usw.

Das mit dem "H[down]1,5[/down]O" hört sich aber auch etwas plakativ an und ist keine besondere Eigenschaft von Wasser speziell, sondern vom Wasserstoff in chemischen Verbindungen allgemein (genauer: von seinem Proton).
Ist ein Quanteneffekt:

Attosekunden-Verschränkung versteckt Photonen
http://www.pro-physik.de/details/physik ... ml#1095527
(das PDF dort)

Ein Atomkern verschwindet
http://www.faz.net/aktuell/wissen/physi ... 56494.html

Der Effekt könnte z.B. für die Polymerchemie von Interesse sein.

Grüße
seeker

[Skeltek]

Außerdem hängt die Relevanz der Wasserstoffbrücken stark von dem durchschnittlichen Molekülabstand, also letztlich dem Druck ab

[gravi]

Wasser ist in der Tat ein besonderer Saft. Die Formel H[down]2[/down]O sollte man prinzipiell erst gar nicht antasten, denn sonst wird es verzwickt!

Ich behaupte nämlich, dass die eigentliche Formel H[down]3[/down]O lautet! Das ist so genanntes protonisiertes Wasser, in Fachkreisen auch als Oxonium bekannt.
Betrachtet man nämlich reines Wasser, so entsteht durch so genannte Protolyse dieses Ion, gemäß der Gleichung:



Durch diese Protonisierung des Wassermolküls entstehen ständig diese H[down]3[/down]O- Moleküle.

Es geht aber noch verrückter, denn im Wasser entstehen auch Moleküle wie z.B. H[down]5[/down]O[down]2[/down] oder H[down]9[/down]O[down]4[/down]

Ich will hier aber nicht weiter lehrmeistern, doch wie gesagt, Wasser ist schon etwas ganz Besonderes. Weshalb sollte dann auch Leben - wie so oft vermutet - bei außerirdischen Lebewesen auf dieses beste aller Lösungsmittel verzichten, wo es doch überall verfügbar ist...

Chemische Grüße
gravi

[Stephen]

Vielen Dank für eure Antworten.

Wenn ich das richtig verstanden habe könnte man also - salopp ausgedrückt - sagen, dass Wasser ständig in Bewegung ist, die Moleküle sich laufend umformen. Der von Seeker genannte Quanteneffekt des Wasserstoffes spielt - laut Zeitungsbericht - dabei eine große Rolle.

Mit der Formel für Wasser haben wir jetzt allerdings ein Problem - es reicht von H[down]1,5[/down]O (Berliner Forschungsteam) über die Schulformel H[down]2[/down]O und Gravis Formel H[down]3[/down]O

Gruß
Steffen

[seeker]

H[down]3[/down]O[up]+[/up] und OH[up]-[/up] liegen unter Normalbedingungen im Wasser nur in geringen Konzetrationen vor (jeweils 10[up]-7[/up] mol/l) und reagieren weiter, z.B. so:

H[down]3[/down]O[up]+[/up] + 3 H[down]2[/down]0 -> H[down]9[/down]O[down]4[/down][up]+[/up]
...oder zum H[down]5[/down]O[down]2[/down][up]+[/up]-Komplex oder zum H[down]3[/down]O[up]+[/up] (H[down]2[/down]O)[down]6[/down]-Cluster oder H[down]3[/down]O[up]+[/up] (H[down]2[/down]O)[down]20[/down]-Cluster, usw.

Das ist ständig im Wandel. Auch die ungeladenen Wassermoleküle bilden ständig veränderliche Cluster über Wasserstoffbrücken.
Grundsätzlich gilt aber immer noch stöchiometrisch Wasser = H[down]2[/down]O, Molmasse = 18 g/mol. Und dabei bleibt es!
Alles andere sind Feinheiten und meinen andere Dinge.

Mal noch ne andere Frage:
Wie erklärt es sich, dass Wasser nen höheren Siedepunkt als HF hat?

Fluor hat die höchste Elektronegativität aller Elemente.
HF hat ein ähnliches Dipolmoment wie Wasser und ist das schwerere Molekül. Auch HF bildet Wasserstoffbrücken und macht auch Autoprotolyse.
Gut, HF hat nur einen "Pluspol" (da nur ein H im Molekül), H[down]2[/down]O hat deren zwei, was geometrisch evtl. zu besserer/stabilerer, 3-dimensionaler Kettenbildung führen könnte...
Liegt es daran? Weißt du das vielleicht gravi?

Chemische Grüße
seeker

[gravi]

Ehrlich gesagt muss ich da passen - aus dem Stegreif weiß ich es nicht, da müsste ich wirklich nachschlagen. Evtl. liegt die Ursache in der Wasserstoff- Brückenbildung...?

Wenn ich Zeit habe, kann ich mich ja mal schlau machen, mometan aber ein wenig problematisch

Gruß
gravi

[Skeltek]

Ehrlich gesagt muss ich da passen - aus dem Stegreif weiß ich es nicht, da müsste ich wirklich nachschlagen. Evtl. liegt die Ursache in der Wasserstoff- Brückenbildung...?

Wurde glaube ich vor einem der Forenumzüge diskutiert. Es stellte sich heraus daß die Anschauung als phänomenologischem Sekundäreffekt der EM Abstrahlung und elektronegativen Gefälle oder irgendwelche völlig diametralen Anschauungen exakt bis ins kleinste Detail dieselben Formeln und Prognosen liefern, das eine also eine komplementäre Anschauung ein und derselben Sache ist, obwohl sich trotzdem keine der Theorien aus der anderen in irgendeiner Form ableiten ließe.
Hatte vor einem Jahr schonmal recherchiert aber den Beitrag nicht mehr gefunden.

[gravi]

So, hab mich noch mal ein wenig reingekniet. Eigentlich sollte Wasser, geht man nur nach der Molmasse, schon bei -80 Grad sieden. Dass es das nicht macht, liegt in der Tat an der Wasserstoffbrückenbildung. Wasser bildet da viel größere Cluster als HF aus, und diese vielen zusätzlichen Bindungen müssen bei einem Phasenübergang überwunden werden - was halt Energieaufwand bedeutet.
Wenn ich es recht in Erinnerung habe, führt die Clusterbildung sogar dazu, dass selbst flüssiges Wasser noch eine Art kristalliner Struktur hat.

In jedem Fall ist Wasser schon ein ganz besonderer Saft, eben das beste aller Lösungsmittel. Und da es überall im Kosmos reichlich vorhanden ist wäre es unsinnig anzunehmen, dass anderes Leben evtl. auf Si- Basis mit NH[down]3[/down] als Lösemittel funktionieren könnte. Wozu auch, wo es doch genug Wasser gibt?
So, ich nehme dann jetzt mal ein veredeltes Wasser zu mir...

Gruß
gravi

[Skeltek]

Es ist nur wahrscheinlich, daß eine Lebensform die über so etwas nachdenkt eine Wasserstoffverbindung als Träger hat, es ist wie du sagst ein relativ häufiges Element und hier reichlich vorhanden. Es ist auch in seinen Eigenschaften sehr erforscht.
Schwarz war wohl der Tag an dem das Klima umkippte und wohl 99,999% der Lebensformen auf dem Planeten am höchst giftigen Sauerstoff eingingen. Nicht immer ist etwas das für für essentiell erachten auch tatsächlich gut oder schlecht. Die momentan existierenden Lebewesen in einem Biotop werden immer am besten an ihre eigenen Umweltbedingungen angepasst sein.

Im Grunde genommen werden die meisten Lebensformen im Universum wohl auf einer Flüssigkeit basieren, die aus den häufigsten Elementen besteht.
Wer weiss, vielleicht ist metallischer Wasserstoff ja auch ein guter Träger für eine völlig andere Art von Leben. Spiegelmanns RNA-Monster kommt ja inzwischen auch mit glaube weniger als 38 Molekülen aus um sich in künstlicher Laborumgebung zu reproduzieren; so komplex ist das nun auch wieder nicht sodaß hochkomplexes Leben vielleicht ausgeschlossen ist aber primitives Leben begrenzt auch mit anderen Verbindungen möglich ist.

[seeker]

Danke gravi.
Ich habe mich auch umgehört und kann das bestätigen.
Das Interessante war, dass auch HF Wasserstoffbrücken bildet, wobei die Wasserstoffbrücken von HF deutlich stärker als die von H[down]2[/down]O sind.
Und ja, dass H[down]2[/down]O trotzdem den höheren Siedepunkt hat (HF: 19,5 ° C, H[down]2[/down]O: 100° C) liegt an den größeren Clustern vom Wasser, das habe ich auch gesagt bekommen.
Warum sind die Cluster beim Wasser größer, obwohl die WB-Bindung schwächer ist?
Geometrischer Effekt! Weil es besser "aufgeht"!

HF bildet per WBB eindimensionale Ketten ohne Verzweigungen, weil es sozusagen ja nur "einbindig" ist (was die Wasserstoffbrückenbindung angeht), da nur ein H im Molekül (und drei ungeb. Elektronenpaare, Verhältnis: 1:3).

H[down]2[/down]0 ist "zweibindig" (bez. WBB) und kann daher verzweigte (und daher größere) Cluster bilden und doppelt so viele WB per Molekül, weil es ja zwei H und zwei ungebundene Elektronenpaare im Molekül hat (Verhältnis: 2:2, das ist optimal).


NH[down]3[/down] wäre der nächste Kandidat: Dort ist das Verhältnis H/freie Elektronenpaare 3:1. Auch das geht schlechter auf, von der geringeren Polarität dieses Moleküls ganz zu schweigen.

... und H[down]2[/down]S wiederum ist zwar schwerer und hat sogar auch 2 H, ist aber zu groß und der Schwefel zu schwach, sodass das Molekül nicht polar genug ist um dem H[down]2[/down]0 "das Wasser zu reichen".

Grüße
seeker

[gravi]

Auch die meinen Dank - perfekt erklärt!

Noch zu erwähnen: NH[down]3[/down] und H[down]2[/down]S sind ziemlich stinkige Angelegenheiten. Welches Lebewesen wollte schon in einem solchen Mief existieren?
Im Labor hat's aber doch Spaß gemacht, den "Kipp" mal so richtig aufzudrehen und die Kollegen einzunebeln...

Schönen Gruß
gravi

[Skeltek]

Danke gravi.
...
Das Interessante war, dass auch HF Wasserstoffbrücken bildet, wobei die Wasserstoffbrücken von HF deutlich stärker als die von H[down]2[/down]O sind.
...
Geometrischer Effekt! Weil es besser "aufgeht"!
...
H[down]2[/down]0 ist "zweibindig"...(Verhältnis: 2:2, das ist optimal).
...
NH[down]3[/down] ...
... und H[down]2[/down]S wiederum ...
Grüße
seeker

Das eine ist zu schwer um mit H2O vergleichbar zu sein, das andere zu leicht, das dritte hat schwächere Bindungen, das vierte zu starke... im Grunde genommen hast du impliziert daß die Werte von Wasser das Optimum seien, weil ein anderer Stoff in irgendeiner Eigenschaft von Wasser differiert...
Müsste HF nicht ein deutlich besserer Kandidat sein auf gravitativ starken Planeten mit hohen Drücken mit seinen stärkeren Bindungen und niedrigerem Siede-/Schmelzpunkt?
Wir haben mindestens noch Temperatur und Druck um Gewichtung von Siedepunkt und Wasserstoffbrückenstärke bei allen Molekülen zu verschieben.
Gerade große Planeten bleiben auch länger warm und sind für Aufrechterhaltung der Oberflächen-Grundtemperatur nicht so sehr auf Sonnenbestrahlung angewiesen.

[Stephen]

Hallo zusammen,

ebenfalls interessant ist der Mpemba-Effekt (http://de.wikipedia.org/wiki/Mpemba-Effekt) - ohhh - es klappt wieder mit der Linkangabe
Dieser erklärt, warum warmes Wasser schneller gefriert als kaltes.

Und: Wasser ist ein hervorragendes "Sprengmittel". Grund dafür dürfte bekannt sein: es dehnt sich beim Gefrieren aus, ändert dabei seine Dichte von 1 g/cm[up]3[/up] auf 0,92 g/cm[up]3[/up]

Die Dichteanomalie wurde ja schon angesprochen, sie betrifft aber auch Elemente wie z.B. Plutonium und Silizium oder andere Verbindungen (z.B. Zinkcyanid).

Gruß
Steffen

[Stephen]

Hallo,

muss unbedingt noch ein Zitat hinzufügen:

Gerade erst ist die vielleicht verrückteste Substanz der Natur dadurch aufgefallen, dass sie tief unterhalb des Gefrierpunktes plötzlich flüssig werden kann. Solche Eigenschaften sind weit mehr als ein Kuriositätenkabinett. Ohne sie wäre Leben, wie wir es kennen, schlichtweg unmöglich.

Quelle: P.M. 07/2012, Seite 46

Wie soll denn das gemeint sein? Sowas ist doch höchst unpräzise formuliert ("tief unterhalb des Gefrierpunktes"), das müsste sich doch per Experiment nachprüfen lassen...

Gruß
Steffen

[gravi]

Das ist sicher eine Frage des Drucks. Unter hohem Druck bleibt Wasser auch unterhalb des Gefrierpunktes flüssig.

Gruß
gravi

[Stephen]

Das ist sicher eine Frage des Drucks. Unter hohem Druck bleibt Wasser auch unterhalb des Gefrierpunktes flüssig.

Da bleibt für mich aber immer noch die Frage bestehen, wieso man das "gerade erst" entdeckt hat und wieso ein experimenteller Nachweis fehlt...

[gravi]

Ich weiß ja nicht, wie die Leute von P.M. drauf sind - allzuviel Wert lege ich jedenfalls nicht auf dieses Magazin.

Es ist eigentlich schon länger bekannt, dass die Schmelzdruckkurve des Wassers eine negative Steigung aufweist. Siehe hierzu mal https://de.wikipedia.org/wiki/Phasendiagramm.
D.h., je höher ich den Druck mache, umso tiefer liegt der Schmelzpunkt. Bei 200 000 kPa entsprechend 2000 bar liegt er z.B. bei -22°C. Deshalb könnte es auch unter der Oberfläche von Eismonden flüssige Meere geben (zumal es dort durch diverse Prozesse sogar relativ warm sein kann).
Da sind eigentlich keine weiteren Experimente erforderlich. Ich denke, es gibt keine andere Verbindung, die so intensiv untersucht wurde wie das Wasser...

Gruß
gravi

[Stephen]

Ich weiß ja nicht, wie die Leute von P.M. drauf sind - allzuviel Wert lege ich jedenfalls nicht auf dieses Magazin.

Mein Vater hat diese Zeitschrift abonniert. Wenn ich bei meinen Eltern zu Besuch bin, blättere ich die ganz gerne mal durch. Verständlicher als ein Fachbuch ist das Magazin (für mich jedenfalls). Mit Formeln, vor allem aber mit "staubtrockenen" Texten und unzähligen Quellenverweisen, die den Lesefluss hemmen kann ich einfach nicht viel anfangen...

Danke für den Link, jetzt habe ich es (einigermaßen) kapiert

Gruß
Steffen

[seeker]

Ich habe in meiner Jugend mindestens 10 Jahre lang PM gelesen.
Geschadet hat's mir nicht... Natürlich fällt einem irgendwann auf, dass vieles nur oberflächlich behandelt wird.

Grüße
seeker