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Wasser-Eigenschaften praxisnah erklärt
Wer sich für die Eigenschaften von Wasser interessiert, stößt bei der Recherche schnell auf folgendes Problem: Es gibt unzählige Ratgeber und Wissensseiten mit einer unendlichen Flut an Fachbegriffen, komplexen, wissenschaftlichen Erläuterungen und Informationen ohne jeglichen Bezug zum Alltag. Eigentlich schade, denn Wasser ist ein beeindruckendes Element und aufgrund seiner physikalischen und chemischen Eigenschaften für unser Leben essenziell. In diesem Ratge-ber werden einige Eigenschaften von Wasser einfach erklärt.
Inhaltsverzeichnis
Was ist Wasser?
Ohne Wasser kein Leben! Wenn es kein Wasser auf der Erde gäbe, könnten wir nicht existieren. Wasser ist die Lebensgrundlage für die meisten Organismen und Lebensformen. Chemisch betrachtet ist Wasser ein Wasserstoffoxid. Letzteres ist eine chemische Verbindung, die lediglich aus Wasserstoff und Sauerstoff besteht. Das Wassermolekül (H₂0) besteht bekanntermaßen aus zwei Wasserstoff(H)-Atomen, die beide eine sogenannte kovalente Bindung zum Sauerstoff(O)-Atom besitzen. Wasser besteht aus unendlich vielen solcher Molekülverbindungen. Durch elektrostatische Anziehung wirken zwischen den Wassermolekülen zwischenmolekulare Kräfte (Dipol-Charakter des Wassermoleküls).
Prinzipiell lässt sich festhalten: Wasser besitzt eine Reihe physikalischer, chemischer, elektrischer und optischer Eigenschaften, die sich durch den Aufbau des Wassermoleküls sowie aus den Wechselwirkungen mit anderen Molekülen ergeben. Eine wichtige Rolle spielen hierbei die Dipol-Kräfte und Wasserstoff-Brückenbindungen. Genau genommen sind diese für Eigenschaften wie zum Beispiel den hohen Schmelz- und Siedepunkt, die hohe Oberflächenspannung (Kohäsion) und den Aggregatzustand verantwortlich, also dafür, ob Wasser gasförmig, flüssig oder gefroren ist. Aber dazu gleich mehr.
Wasser: Wer hat’s erfunden ? Wasser wurde natürlich von nie-mandem erfunden, es existiert bereits seit Milliarden von Jahren auf der Erde. Jedoch gelang dem französischen Chemiker A. L. Lavoisier 1783 ein wissenschaftlicher Durchbruch, der zum Verständnis von Wasser und seinen Eigenschaften wesentlich beitrug. Ihm gelang es als erster, die Synthese von Wasser nachzuweisen – bis dato konnte noch kein Wissenschaftler zeigen, dass es sich bei Wasser um eine chemische Verbindung von Wasser- und Sauerstoff handelt.
Wasser und sensorische Parameter
Wasser ist in seiner natürlichen Form geschmack-, geruch- und farblos. Dass Wasser nicht wirklich blau ist, sieht man am Leitungswasser aus dem Wasserhahn. Doch weshalb erscheint uns das Wasser der Weltmeere, Seen und Flüsse blau beziehungsweise manchmal sogar grün, türkis oder gelb? Nun, das hat mit dem Absorptionsverhalten von Wasser zu tun. In der Schule haben wir gelernt, dass Farben durch Licht entstehen und sich das Farbspektrum durch die unterschiedlichen Wellenlängen des Lichts ergibt. Wenn Licht auf Wasser trifft, wird es teilweise reflektiert und auch gebrochen. Die Lichtstrahlen werden von den Wassermolekülen aufgenommen bzw. abgelenkt und gestreut. Dabei wird langwelliges Licht (rot sichtbarer Bereich) schneller absorbiert als kurzwellige Lichtstrahlen (blauer Bereich), weshalb es für uns so aussieht, als sei das Wasser blau. Zudem können gelöste Teilchen und Substanzen die Färbung bzw. Trübung verändern. Mehr dazu gleich, wenn es um Wasser als Lösungsmittel geht.
Die Lichtbrechung ist auch dafür verantwortlich, dass sich die Umgebung auf der Wasseroberfläche spiegelt und es zu optischen Täuschungen kommt – zum Beispiel sehen wir unter Wasser alles ein wenig verzerrt.
Wasser als Lösungsmittel
Wasser ist Lösungsmittel und Reaktionsraum für viele Verbindungen wie Säuren, Basen oder Salze. Ohne Wasser als Katalysator würden viele chemische Reaktionen wesentlich länger dauern oder erst gar nicht stattfinden. Die Löslichkeit von Stoffen in Wasser ist stark von der Temperatur abhängig. Im Aquarim wird oft destilliertes Wasser verwendet, um die Löslichkeit bestimmter Substanzen wie Mineralien und Nährstoffe zu kontrollieren und das ideale Umfeld für Fische und Pflanzen zu schaffen. Ein Praxisbeispiel verdeutlicht den Unterschied in der Löslichkeit: Wenn wir Kochsalz sowohl in warmem als auch in kaltem Leitungswasser auflösen, lassen sich zwei unterschiedliche Reaktionen beobachten. Gibt man einen Löffel Salz in heißes Wasser, wird dieses sehr schnell klar sein. Das Glas mit dem kalten Wasser bleibt noch eine Weile trüb, da sich die Kochsalz-Bestandteile Natrium und Chlorid in kaltem Wasser langsamer voneinander lösen.
Das ist natürlich ein sehr vereinfachtes Beispiel. In der Praxis gibt es im Rohwasser unzählige Substanzen bzw. Ionen von Salzen. Was man sich hinsichtlich der Wasseranalyse merken kann: Bei der Trennung (Dissoziation) von Feststoffen werden Ionen frei, die man in positiv geladene Kationen (z. B. Magnesium, Kalium, Calcium) und negativ geladene Anionen (z. B. Chlorid, Sulfat) unterscheidet. Sie bilden den Gesamtgehalt des Salzes, oder besser gesagt die Ladungen aller Kationen und Anionen, und müssen in ihrer Summe immer identisch im Wasser vorhanden sein. Das Prinzip wird beispielsweise bei der Wasseraufbereitung mittels Ionenaustauschs angewandt.
Aber zurück zu unserem Kochsalz-Beispiel. Der Temperatureffekt bringt uns zu zwei weiteren, physikalischen Eigenschaften des Wassers: Den drei Aggregatzuständen und der spezifischen Wärmekapazität.
Aggregatzustand: Die Verteilung des Wassers
Wasser kann alle drei klassischen Aggregatzustände annehmen: Flüssig, gasförmig und fest. Dabei ist der Aggregatzustand, also der physikalische Zustand eines Stoffes, stark temperatur- und druckabhängig. Wasser besitzt einen Siede- bzw. Schmelzpunkt von 100 °C bzw. 0 °C, was, wenn wir uns an die chemische Struktur von Wasser erinnern, mit der Anordnung der Wasserstoff-Brückenbindungen zu tun hat. Ganzheitlich betrachtet ist Wasser immer in Bewegung und Teil eines Kreislaufs. Es verdunstet über den Meeren bzw. über dem Festland, steigt als Wasserdampf in die Atmosphäre auf und kondensiert dort zu Wassertropfen. Das Regenwasser sickert anschließend in die Böden – der fortlaufende natürliche Prozess von Verdampfung und Kondensation.
Unsere Erde ist zu 70 % mit Wasser bedeckt. Doch von den weltweiten Wasservorkommen ist nur ein sehr kleiner Teil – nämlich etwa 3 % – als Süßwasser nutzbar, wobei gerade einmal 0,7 % davon (Grund- und Oberflächenwasser) direkt zugänglich ist. Der überwiegende Teil der Süßwasservorräte ist im Eis in den Polen und weltweiten Gletschern bzw. Permafrostböden gefroren. Gewaltige 97 % der weltweiten Wasservorkommen entfallen auf Salzwasser in den Ozeanen und Meeren.
Spezifische Wärmekapazität: Eine Eigenschaft, die unser Klima beeinflusst
Eine weitere Eigenschaft von Wasser ist seine hohe spezifische Wärmekapazität, das heißt, dass es viel Energie, zum Beispiel die von Sonnenstrahlen, aufnehmen kann. Das wiederum hat Auswirkungen auf unser Klima. Die Ozeane, Meere und Binnenseen speichern einen Großteil der Sonneneinstrahlung in Form von Wärmeenergie und beeinflussen damit das Klima signifikant. Die hohe spezifische Wärmekapazität macht man sich unter anderem beim Wärmespeichern in Heizungen zu nutze.
Darum verändern die Inhaltsstoffe von Wasser dessen Eigenschaften
In der Natur kommt Wasser praktisch nie als reines Wasser vor, sondern enthält gelöste Ionen von verschiedenen Salzen, organische Stoffe und je nach Schadstoffbelastung auch Verunreinigungen industriellen Ursprungs. Die Konzentration der im Wasser enthaltenen Substanzen ist dabei stark abhängig von natürlichen und anthropogenen (menschengemachten) Prozessen. Prinzipiell unterscheidet man folgende Wasserinhaltsstoffe:
- Natürliche anorganische Stoffe bzw. gelöste Salze (Kationen und Anionen)
- Natürliche organische Stoffe wie Algen, Schwebstoffe und andere Mikroorganismen
- Fremde Schadstoffe bzw. umweltschädliche Chemikalien, sogenannte Xenobiotika (z. B. Farbmittel, Seife, Pestizide, Medikamentenrückstände, Schwefeldioxid)
Zur Wasseraufbereitung und Abwasserbehandlung müssen daher verschiedene mechanische, chemische, physikalische und biologische Verfahren miteinander kombiniert werden, um das Wasser entsprechend den jeweiligen Anforderungen von anorganischen und organischen Stoffen zu befreien. Dabei sind folgende Verfahren bzw. Prozessschritte zur Wasseraufbereitung relevant:
- Entsäuerung (Entfernen von überschüssigem Kohlendioxid)
- Entkarbonisierung (Entfernen von überschüssigem Kalk)
- Enteisenung (Entfernung von Eisen)
- Entsalzung (Entfernung von Ionen verschiedener Salze)
- Entmanganung (Entfernung von Mangan)
- Desinfektion (Um die Keimfreiheit bis zum Wasserhahn zu gewährleisten)
- Mechanische Filtration (Filtern von Schwebstoffen und anderen organischen Verunreinigungen)
Somit verändern sich die Eigenschaften von Wasser automatisch mit den Anforderungen des jeweiligen Einsatzzwecks. Grund- und Oberflächenwasser oder Regenwasser sind natürliches Wasser, also nicht behandelt, sodass die Konzentration von organischen und anorganischen Stoffen eine andere ist als bei aufbereitetem Trink-, Leitungs- oder Prozesswasser. Letzteres muss je nach Anwendungsfall frei von anorganischen Teilchen sein und in manchen Branchen, zum Beispiel in der Medizintechnik oder Halbleiterindustrie, zudem frei von jeglichen Keimen und anderen organischen Verunreinigungen. Mehr dazu erfahren Sie im Ratgeber über Reinstwasser.
Wasser-Eigenschaften: Warum sie in der Wasseraufbereitung relevant sind
Innerhalb der städtischen Wasseraufbereitung in den Wasserwerken wird kontinuierlich überprüft, wie es um die Wasserqualität bestellt ist. Bei der Wasseranalyse spielen Parameter wie der pH-Wert und die elektrische Leitfähigkeit eine zentrale Rolle.
Die elektrische Leitfähigkeit von Wasser
Die hohe elektrische Leitfähigkeit von natürlichem Wasser, aber auch herkömmlichen Leitungswasser, kann für uns Menschen sehr gefährlich werden. Dass elektrische Geräte nicht in Nähe von Wasser benutzt werden sollten oder man bei Gewitter zum Schutz vor einem Blitzschlag nicht rausgeht, sollte jedem bekannt sein. Die elektrische Leitfähigkeit ist neben dem pH-Wert ein wichtiger Parameter zur Ermittlung der Konzentration an gelösten Salzen. Dafür nutzt man ein Leitfähigkeitsmessgerät, um zum Beispiel den Leitwert von Prozesswasser bei Vollentsalzer-Anlagen zu messen. Bei der Anwendung geht es darum, mithilfe des Leitfähigkeitsmessgeräts zu erkennen, wann das Filtergranulat bzw. Mischbettharz des Vollentsalzers erschöpft ist und ausgetauscht werden muss. Dies eignet sich sowohl für komplexe, industrielle Verfahren, aber auch für den privathäuslichen Gebrauch, zum Beispiel zur Aufbereitung von VE-Wasser für das Aquarium. Nachfolgend sehen Sie Leitwerte verschiedener Wassertypen:
- Regenwasser: circa 50 µS/cm
- Trinkwasser (je nach Wasserhärte): 35-350 µS/cm
- Reines Wasser mittels Osmoseanlage: 20-50 µS/cm
- Destilliertes Wasser (je nach Qualität): 0,5-5 µS/cm
- Reinstwasser für Laborzwecke: unter 1 µS/cm
Der pH-Wert von Wasser
Der pH-Wert ist ein Maß für die saure bzw. basische Wirkung einer wässrigen Lösung. Dabei steht das pH für pondus Hydrogenii, was man mit „Gewicht des Wasserstoffs“ übersetzen kann. Es geht also um die Konzentration der Wasserstoff(H)-Ionen in einer Lösung. So weit, so theoretisch! Anders ausgedrückt: Der pH-Wert gibt an, wie sauer bzw. alkalisch eine wässrige Lösung ist. Eine Lösung mit einem pH-Wert unter 7 nennt man sauer (rote Färbung ), darüber basisch (blaue Färbung). Entspricht der pH-Wert 7, handelt es sich um eine neutrale Lösung (gelbe bzw. grüne Färbung). Meist wird die pH-Skala von 0 bis 14 angegeben. Mit Hilfe eines Indikatorpapiers, kann der pH-Wert auf einer Farbskala abgelesen werden . Die Chemikalien reagieren auf dem pH-Papier mit dem sauren bzw. alkalischen Wasser zu einem farbigen Komplex.
Erweitertes Wissen über den pH-Wert:: Der pH-Wert ist keine lineare, sondern eine logarithmische Skala, korrekt formuliert muss es heißen: der negative dekadische Logarithmus der Wasserstoffionen-Konzentration. Das bedeutet, dass die Konzentration an Wasserstoff-Ionen zwischen pH 0 und pH 1 Faktor 1.000 ist, zwischen pH 0 und pH 2 ist der Faktor 1.000 x 1.000, also 1.000.000 usw..
Hier einige Beispiele von Lösungen bzw. Produkten aus dem täglichen Leben mit ihrem jeweiligen pH-Wert:
- Salzsäure 3,6 %: 0
- Zitronensaft: 2
- Cola: 3
- Wein: 4
- Regenwasser: 4–-4,5
- Kaffee: 5
- Reines Wasser: circa 7 (abhängig von der Wasserhärte)
- Meerwasser: 8,5
- Kalk: 12
- Natronlauge 3,9 %: 14
Der pH-Wert von Leitungswasser ist in der Trinkwasserverordnung festgeschrieben. Wasser aus dem häuslichen Wasserhahn muss einen pH-Wert zwischen 6,5 und 9,5 besitzen. Warum Leitungswasser mit einem sehr niedrigen pH-Wert gefährlich für Rohrleitungen sein kann, erfahren Sie weiter unten im Abschnitt „Aggressives Wasser“. Der pH-Wert von Regenwasser wird durch industrielle Prozesse beeinflusst. Wenn Abgase wie Schwefeldioxid in die Atmosphäre gelangen, reagieren sie bei Kontakt mit Wasser zu Schwefelsäure. Dadurch sinkt der pH-Wert stark ab – es kommt zu „saurem Regen“, der den Waldböden und Pflanzen schadet. In Regionen mit besonders kalkhaltigen Böden werden die Säuren im Wasser – besser gesagt die überschüssige Kohlensäure – neutralisiert.
Der pH-Wert ist ein wichtiger Parameter in der industriellen Wasseraufbereitung. Beispielsweise benötigen manche Behandlungsschritte in der Abwasserbehandlung einen bestimmten pH-Wert, damit sie wie vorgesehen funktionieren.
Zwei Eigenschaften von Wasser, die Sie vielleicht noch nicht kennen
Aggressives Wasser
Kann Wasser aggressiv sein? Ja, das hat mit dem Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichtzu tun. Hierbei handelt es sich um das natürliche bzw. chemische Gleichgewicht zwischen den im Wasser vorkommenden Ionen der Kohlensäure (Kohlendioxid) und gelöstem Calciumcarbonat – im Gleichgewicht entspricht die Menge an freier Kohlensäure der Menge der gebundenen Kohlensäure.
Oft wird weichem, entsalztem Wasser nachgesagt, dass es zu Korrosion führe. Das stimmt je-doch nicht und hat stattdessen mit dem Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht zu tun. Bei zu viel Kohlensäure ist Wasser kalklösend und kann zu Korrosion in Leitungen führen. Das ist auch der Grund, weshalb man umgangssprachlich von „aggressivem Wasser“ spricht. Weiches Wasser enthält zum Beispiel keine freie Kohlensäure mehr und ist dadurch für Rohrleitungen ungefährlich. Reinstwasser hingegen ist durch das Entfernen jeglicher Salze sehr aggressiv gegenüber vielen Werkstoffen. Um die Menge der Kohlensäure im eigenen Leitungswasser braucht man sich jedoch keine Gedanken zu machen. In den Wasserwerken wird das Wasser immer so aufbereitet, dass es nicht kalklösend und stattdessen leicht kalkabscheidend ist.
Im Umkehrschluss bedeutet das, dass Kalk nicht per se schlecht ist. Zwar ist es im Alltag negativ konnotiert – verkalkte Haushaltsgeräte, „verkalkte“ Arterien –, jedoch wirkt Kalk der Versauerung der Böden respektive dem Waldsterben entgegen, da es überschüssiges Kohlendioxid (in Form von Kohlensäure im Bodenwasser) neutralisiert und den pH-Wert des Bodens erhöht.
Dichteanomalie des Wassers
Die Dichte eines Stoffes hängt von seiner Umgebung ab, genauer gesagt von der Temperatur, dem Druck und den im Wasser gelösten Stoffen. Aufgrund der bereits erwähnten Wasserstoff-Brückenbindungen weist Wasser eine außergewöhnliche Eigenschaft auf, die man als Dichteanomalie des Wassers bezeichnet. Vielleicht haben Sie sich auch schon einmal gefragt, wieso Eisberge an der Wasseroberfläche treiben, anstatt unterzugehen? Folgendes Phänomen ist dafür verantwortlich: Wenn sich Wasser abkühlt, verringert sich sein Volumen, gleichzeitig nimmt die Dichte zu. Bei 4 °C ist der Punkt erreicht, an dem das Wasservolumen am kleinsten und seine Dichte am größten ist. Kühlt sich das Wasser weiter ab, nimmt sein Volumen wieder zu und wird leichter – Eis besitzt eine geringere Dichte als Wasser und schwimmt deshalb auf diesem. Bei keinem anderen Stoff hat die Flüssigkeit eine höhere Dichte als der Feststoff.
Wasser: Ein beeindruckendes Element mit vielen Eigenschaften
Das Element Wasser ist ein Phänomen für sich – es ist unsere Lebensgrundlage, ohne Wasser wäre kein Leben möglich. Aufgrund des Aufbaus des Wassermoleküls sowie den Wechselwirkungen mit anderen Molekülen ergeben sich verschiedene physikalische, chemische, elektrische und optische Eigenschaften. Einigen davon haben wir uns in diesem Ratgeber genähert. So haben Sie erfahren, dass Wasser geschmack-, geruch- sowie farblos und für viele chemischen Verbindungen Lösungsmittel ist. Ganzheitlich betrachtet ist Wasser zu jeder Zeit Teil eines globalen Kreislaufs und beeinflusst durch seine Eigenschaften indirekt auch unser Klima. Das hat vor allem mit seiner hohen spezifischen Wärmekapizität und der Dichteanomalie des Wassers zu tun.
Selbstverständlich gibt es noch viele weitere spannende Fakten und Infos rund um das Thema Wasser und dessen Eigenschaften. Wenn Sie eine bestimmte Eigenschaft besonders interessiert oder Sie Fragen zu einem Aspekt aus diesem Ratgeber haben, schreiben Sie uns gern eine Nachricht über das Kontaktformular oder per E-Mail.
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