Eine Kraft zwischen den Wassermolekülen erklärt einige ungewöhnliche Eigenschaften des Wassers
Aufgrund der Tatsache, dass Wasser-Moleküle Dipolmoleküle sind (siehe: Struktur des Wassermoleküls im Schalenmodell), wirken zwischen den Molekülen Anziehungskräfte. Der Chemiker spricht auch in diesem Zusammenhang von Dipol-Dipol-Wechselwirkungen.
Wassermoleküle richten sich so aus, dass die Plus- und Minus-Teilladungen (Partialladungen) zueinander zeigen. Entgegengesetze Ladungen ziehen sich an!
.Als "Wasserstoffbrücke" bezeichnet man eine Anziehungskraft zwischen einem stark polarisierten Wasserstoff-Atom und einem nichtbindenden Elektronenpaar eines (anderen) Moleküls. Sie wird am besten mit einer gepünkelten Linie gekennzeichnet, um sie klar von einer Atombindung zu unterscheiden. Eine "Wasserstoffbrücke" ist ein Sonderfall einer Dipol-Dipol-Wechselwirkungen.
"Wasserstoffbrücken" sind weitaus schwächer als die Atombindungen innerhalb eines Moleküls. Allerdings kann ein Wasser-Molekül an mehreren Stellen eine "Wasserstoffbrücke" ausbilden. Der Einfluss der "Wasserstoffbrücken" ist also insgesamt betrachtet recht groß.
Achtung: Ein Lösen oder Bilden von "Wasserstoffbrücken" führt nicht zu einer chemischen Reaktion, also der Bildung von anderen Stoffen. Wenn jedoch Atombindungen gespalten werden, findet eine chemische Reaktion statt und es entstehen in der Folge neue Stoffe.
Man kann sich die Anziehungskräfte der "Wasserstoffbrücken" etwa so vorstellen, als wenn sich zwei Magnete, die man aneinander vorbei bewegt, anziehen würden. Je langsamer man diese Bewegung macht, umso besser wirkt die Anziehungskraft. Bei 0° C bewegen sich die Wasser-Moleküle so langsam, dass sie sich aufgrund der "Wasserstoffbrücken" tatsächlich festhalten können: Das Wasser gefriert zu festem Eis.
Die Folgen für die Eigenschaften des Wassers
Oberflächenspannung
Die Wassermoleküle haben also das Bestreben, sich in Form eines dreidimensionalen Netzes untereinander festzuhalten. Somit versucht Wasser seine Oberfläche möglichst klein zu halten.
Das erklärt auch die Kugelform von Wassertropfen und die Oberflächenspannung des Wassers.
Wasserläufer bei der Paarung. Bild von Markus Gayda, CC BY-SA 3.0, Link
Wasser ist flüssig
Die "Wasserstoffbrücken" erklären auch, warum Wasser trotz der geringen Molekülmasse bei Raumtemperatur flüssig und nicht gasförmig ist. Erst bei 100°C sind die Schwingungen der Wassermoleküle so groß, dass sie sich voneinander lösen können und in den gasförmigen Zustand übergehen können (Siedetemperatur).
Wieso sollte Wasser bei Raumtemperatur gasförmig sein?
Zwischen Molekülen herrschen Anziehungskräfte (vergleiche hierzu auch das Teilchenmodell). Diese Anziehungskräfte sind von der Masse der Moleküle abhängig. So wie große Planeten eine größere Gravitationskraft als kleine Planeten besitzen, ziehen sich Moleküle mit großer Molekülmasse stärker an als Moleküle mit geringer Molekülmasse. Ist die Molekülmasse so gering, dass sich die Moleküle bei Raumtemperatur nicht anziehen können, dann ist der Stoff gasförmig. Dies ist eine sehr starke Vereinfachung.
Vergleicht man nun die Molekülmassen typischer Gase wie Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid oder Erdgas (Methan) miteinander, so stellt man fest, dass sie eine Molekülmasse von bis zu 44 unit besitzen.
Wasser besitzt aber eine Molekülmasse von 18 unit und müsste demzufolge auch ein Gas sein.
Vergleiche selbst:
Wasserstoff-Molekül H2:
Masse eines Wasserstoff-Atoms = 1 unit. Ein Wasserstoff-Molekül besitzt also eine Masse von 2 u.
Sauerstoff-Molekül O2:
Masse eines Sauerstoff-Atoms = 16 unit. Ein Sauerstoff-Molekül besitzt demzufolge die Masse von 32 u.
Kohlenstoffdioxid-Molekül CO2:
1 x 12 u + 2 x 16 u = 44 unit.
Methan-Molekül (Erdgas) CH4:
1 x 12 u + 4 x 1 u = 16 unit.
Wasser-Molekül H20:
2 x 1 u + 1 x 16 u = 18 unit !!
Da die Wassermoleküle aber durch die "Wasserstoffbrücken" untereinander angezogen werden, muss man viel mehr Wärmeenergie aufwenden, um die Moleküle in den gasförmigen Zustand zu bringen. Dies geschieht erst bei einer viel höheren Temperatur als die Raumtemperatur, nämlich bei exakt 100°C. Man beachte auch, dass ein Wassermolekül an mehreren Stellen eine "Wasserstoffbrücke" aufbauen kann.
Der Lotus-Effekt
Der Lotus-Effekt. Lesetipp hierzu (externer Link): https://www.max-wissen.de/101851/lotoseffekt , am 19.03.17 aufgerufen
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[1] Quelle: Römpp USB Stick · 2008, ISBN: 978-3-13-149231-9
