Physik des Wassers

 

 

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Aggregatzustnde

Aggregatzustnde

Fast alle Stoffe knnen fest, flssig oder gasfrmig sein. Man spricht vom festen, flssigen und gasfrmigen Aggregatzustand. In welchem Aggregatzustand ein Stoff vorliegt, hngt von der Temperatur und auch vom Druck ab. Die Abhngigkeit des Aggregatzustandes beziehungsweise des in der Thermodynamik enger gefassten Begriffs der Phase von diesen Zustandsgr秤en wird blicherweise in einem Phasendiagramm dargestellt.

Es gibt 3 Aggregatzustnde:

  • fest:
    Ein fester Stoff hat immer eine bestimmte Form und ein bestimmtes Volumen. In diesem Zustand ist ein Stoff sowohl in Form als auch im Volumen unvernderlich. Man kann ihn nur durch uere Krafteinwirkung (z.B. Druck) verndern. Feste Krper haben Oberflchen, die sie begrenzen.
  • flssig:
    Ein flssiger Stoff hat ein bestimmtes Volumen, aber keine bestimmte Form. Er nimmt die Form des Gef癌es an, in dem er sich befindet oder bildet Tropfen aus. Flssigkeiten bilden Oberflchen aus, die sie begrenzen.
  • gasfrmig:
    Ein gasfrmiger Stoff hat keine bestimmte Form und kein bestimmtes Volumen. Er verteilt sich in dem Raum, der ihm zur Verfgung steht. Gase bilden keine Oberflchen, die sie von ihrer Umgebung abgrenzen, sondern werden in ihrer Ausbreitung von der Umgebung begrenzt. Der Stoff fllt den zur Verfgung stehenden Raum vollstndig aus.

Feste und flssige Stoffe kann man immer sehen, auch wenn sie farblos sind, da sie begrenzende Oberflchen haben. Gasfrmige Stoffe hingegen sind in der Regel nicht sichtbar, es sei denn sie sind farbig.

 

 

Teilchemodell

Teilchenmodell

In den Naturwissenschaften wird hufig mit Modellen gearbeitet. Um die Eigenschafen von Feststoffen, Flssigkeiten und Gasen besser beschreiben zu knnen, soll hier das sog. Teilchenmodell verwandt werden. Wie jedes andere Modell ist auch das Teilchenmodell eine Vereinfachung der Wirklichkeit um das zugrunde liegende Prinzip zu verdeutlichen. Mit seiner Hilfe kann das Form- und Volumenverhalten von Stoffen in verstndlicher Weise gedeutet und erklrt werden.

Beim Teilchenmodell geht man davon aus, da alle Stoffe sind aus sehr kleinen Teilchen, den Atomen, Ionen und Moleklen, aufgebaut sind. Dabei wird angenommen, ein Stoff bestehe aus kleinen Kugeln. In Wirklichkeit sind zwar diese kleinsten Teilchen (Atome, Molekle oder Ionen) von anderer Form, fr die Erklrung der 3 Aggregatzustnde reicht es aber aus, die Teilchen als kleine Kugeln anzusehen.

 

 

Die Grundaussagen des Teilchenmodells lauten:

  • Alle Stoffe bestehen aus solchen Teilchen. Die Teilchen unterschiedlicher Stoffe sind in Masse und Gr秤e verschieden. Die Teilchen eines Stoffes sind in Masse und Gr秤e gleich. Die Teilchen sind immer sehr klein.
  • Zwischen den Teilchen ist leerer Raum. Je nach Aggregatzustand sind die Abstnde zwischen den Teilchen verschieden gro.
  • Die Teilchen der Stoffe befinden sich in stndiger Bewegung. Die Geschwindigkeit der Teilchen ist von der Temperatur abhngig.
  • Zwischen den kleinsten Teilchen der Stoffe wirken anziehende Krfte. Diese Anziehungskrfte besitzen nur eine geringe Reichweite.

Die Bewegung der Teilchen der 3 Aggregatzustnde ist ein Ma fr die Temperatur des Stoffes. Die Art der Bewegung ist in den drei Aggregatzustnden jedoch vllig unterschiedlich. Im Gas bewegen sich die Teilchen geradlinig (wie z.B. Billardkugeln), bis sie mit einem anderen oder mit der Gef癌wand zusammen stoen. In der Flssigkeit mssen sich die Teilchen durch Lcken zwischen ihren Nachbarn hindurch zwngen. Im Festkrper bewegen sich die Teilchen nur wenig um ihre Ruhelage.

Festkrper

Ein Festkrper ist der Zustand mit der kleinsten Energiemenge. Er hat eine bestimmte Form und ein bestimmtes Volumen. Die Teilchen eines Festkrpers sind eng aneinander gepackt. Auch die Partikel eines Festkrpers bewegen sich vibrierend hin und her,  sie haben aber zuwenig Energie, sich voneinander loszureien.

Flssigkeit

Eine Flssigkeit hat ein bestimmtes Volumen, aber keine bestimmte Form. Eine Flssigkeit nimmt die Form ihres Behlters an, behlt aber dasselbe Volumen. Die Partikel in einer Flssigkeit bewegen sich freier als in einem Festkrper, aber auch sie haben zuwenig Energie, sich frei voneinander zu bewegen.

Gas

Ein Gas hat weder eine bestimmte Form noch ein bestimmtes Volumen. Die Partikel in einem Gas sind weit auseinander und bewegen sich schnell in allen Richtungen. Ein Gas kann sich ausbreiten und auch leichter zusammen gepresst werden als eine Flssigkeit oder ein Festkrper. Wasserdampf ist der Gaszustand von Wasser. Die meisten Gase sind unsichtbar, wie die Luft, die wir atmen.

 

 

Phasenbergnge des Wassers

Aggregatzustnde und Energiebeitrge von Wasser

Stoffe ndern ihren Aggregatzustand durch Energieaufnahme oder durch Energieabgabe, d.h. wenn ihre Temperatur erhht wird (z.B. durch eine Herdplatte, Flamme, Sonne etc.) bzw. wenn ihre Temperatur erniedrigt wird (z.B. Khl-/ Gefrierschrank, Lufttemperaturetc.). Die Phasenbergnge zwischen den Aggregatzustnden fest, flssig und gasfrmig werden dabei als "Gefrieren" und "Schmelzen", "Kondensieren" und "Verdunsten" sowie "Sublimieren" bezeichnet. Der bergang von einen in den anderen Aggregatzustand erfolgt bei bestimmter Temperatur und bestimmtem Luftdruck und wird durch entsprechende Fachbegriffe ausgedrckt:

  • vom festen in den flssigen und umgekehrt.
    Die dabei ablaufenden Prozesse werden als Schmelzen und Erstarren (Gefrieren) bezeichnet.
  • vom flssigen in den gasfrmigen Aggregatzustand und umgekehrt.
    Erfolgt der Proze unterhalb des Siedepunktes wird er als Verdunstung, oberhalb des Siedepunktes als Verdampfung bezeichnet. Der umgekehrte Proze heit Kondensation.
  • vom gasfrmigen in den festen und umgekehrt.
    Die ablaufenden Prozesse werden in beiden Richtungen als Sublimation bezeichnet.

Der Stoff selbst bleibt bei den 훞derungen des Aggregatzustands erhalten, nur sein Zustand ist verndert (anders als z.B. bei der Verbrennung von Holz. Dabei bleibt das Holz nicht erhalten, sondern es entsteht Asche). Der Vorgang der 훞derung des Aggregatzustands wird auch als Phasenbergang bezeichnet.

Die verschiedenen Phasenbergnge haben spezielle Bezeichnungen:

  • Schmelzen und Erstarren,
  • Sieden und Kondensieren,
  • Sublimieren und Resublimieren,
  • Verdunsten und Verdampfen.

Verdampfen und Sieden sind dabei synoyme Begriffe. Am Siedepunkt ist der Druck des Dampfes gleich dem ueren Luftdruck. Der Dampf steigt dann in kleinen Blasen in der Flssigkeit auf und entweicht. Da in den Bergen der Luftdruck niedriger ist als bei NN (Normalnull) siedet dort das Wasser schon unter 100 캜.

Von Verdunsten spricht man, wenn eine Flssigkeit unterhalb ihres Siedepunktes nicht sichtbar in den gasfrmigen Zustand bergeht (z.B. Trocknen von Wsche auf der Leine). Da die Aufnahmekapazitt der Luft fr Wasserdampf mit steigender Temperatur zunimmt, trocknet die Wsche an warmen Tagen schneller als an kalten, vorausgesetzt die Luft ist nicht mit Wasserdampf gesttigt
Umgekehrt schlgt sich der Wasserdampf aus der Luft in kalten Nchten als Tau nieder, weil beim Abkhlen die Aufnahmekapazitt der Luft geringer wird. Der Wasserdampf kondensiert.

Der Wechsel von einem Aggregatszustand zum anderen ist immer mit einer Zufhrung oder Freisetzung von Energie verbunden. Dies bedeutet, da entweder Energie aufgewendet werden mu oder aber Energie frei wird.
Fr alle diese 훞derungen gilt:

  • Whrend einer Aggregatzustandsnderung bleibt die Temperatur des betreffenden Krpers gleich.
  • Whrend einer Aggregatzustandsnderung ndert sich die thermische Energie eines Krpers.
  • Mit einer Aggregatzustandsnderung verndert sich zumeist auch das Volumen des Krpers.

Ob als Flssigkeit im Meer oder im Trinkglas, als flchtiger Dampf oder als hartes, glattes Eis, wie Wasser uns begegnet ist eine Frage der Umweltbedingungen: Der Schmelz- und Siedepunkt des Wassers hngt allein vom jeweiligen Druck ab, der wiederum von der oberen Erdatmosphre bis zur Tiefsee oder dem Erdinneren ber viele Gr秤enordnungen variiert. Bei einem Standarddruck von einer Atmosphre (1 atm = 1, 013 hPa) erstreckt sich der Bereich von flssigem Wasser vom Schmelzpunkt bei 0 캜 oder 273 Kelvin bis zum Siedepunkt bei 100 캜 (373 K). Auf dem Mount Everest betrgt der Druck in fast 9.000 Meter Hhe nur noch etwa 1/3 des Normaldrucks. Tee wre hier viel schneller fertig, denn das Wasser siedet schon bei 70 캜. Die wichtigste Energiequelle, aus der sich die enorme Wetterwirksamkeit des Wasser speist, sind die Phasenbergnge zwischen den verschiedenen Aggregatzustnden fest, flssig und gasfrmig.

Bereits zum Thema "Kinetische Gastheorie" wurde dargestellt, wie ein trockenes Gas durch eine 훞derung seiner Temperatur auch sein Volumen ndert und es dadurch zu Aufstiegs- und Absinkvorgngen kommt. Im Abschnitt "Wasserdampf und Luftdichte" ist ausgefhrt worden, da feuchte Luft eine geringere Dichte als trockene Luft aufweist, was allein schon zu Hebungsvorgngen fhrt. Entscheidend fr die besondere Wetterwirksamkeit des Wasserdampfs der Atmosphre sind jedoch die Phasenbergnge des Wassers. Wie das Schaubild oben rechts zeigt, ist jeder dieser bergange des Wassers ist mit einer Energienderung verbunden. Dies bedeutet, da entweder Energie verbraucht oder aber Energie frei wird.

Damit Wasser vom festen in den flssigen Zustand bergeht, sind unter Standardbedingungen ca. 334 J/kg Energie erforderlich (Schmelzenergie). Fr den bergang von der flssigen in die gasfrmige Phase ist eine Energiemenge erforderlich, die als Verdunstungs- bzw. Verdampfungsenergie bezeichnet wird. Der dafr erforderliche Energieaufwand ist von der Temperatur abhngig: bei 100 캜 sind es ca. 2260 J (Verdampfen), bei 15 캜 hingegen 2501 J/g (Beispiel fr Verdunsten). Wasser bentigt brigens wieder die gr秤te Verdampfungswrme von allen Stoffen (2,26 MJ/kg). Diese Energie "steckt" im gasfrmigen Zustand als sog. latente Energie. Das Wasser befindet sich damit in der energetisch hchsten Phase. Bei den umgekehrten Prozessen, Kondensation und Gefrieren, wird die aufgewendete Verdunstungs- und Schmelzenergie wieder frei. Wasser kann aber auch direkt von der energetisch niedrigsten Phase (fest) in die hchste, gasfrmige Phase bergehen. Dazu ist die Sublimationsenergie von 2835 J/g erforderlich, die im umgekehrten Fall wieder frei wird. Diese Sublimationsenergie setzt sich ungefhr aus Verdunstungs- und Schmelzenergie zusammen.

Diese latente Wrme spielt in Bezug auf die Phasenbergnge des Wassers in der Erdatmosphre in der Meteorologie eine wichtige Rolle. Ein Groteil der Sonnenenergie, welche auf die Erde trifft, z.B. auf feuchte Oberflchen oder auf Wasserflchen, wird  in die Verdunstung von Wasser investiert. Dabei werden bei 20 캜 etwa 2450 Kilojoule pro Kilogramm Wasser umgesetzt. Eine 훞derung der Lufttemperatur tritt dabei nicht auf, vielmehr bleibt die Energie im gasfrmigen Aggregatzustand des Wassers als latente Wrme gespeichert. Da diese Speicherung reversibel ist, wird diese Energiemenge wieder frei, wenn ein aufsteigendes Luftpaket das Kondensationsniveau erreicht und der Wasserdampf kondensiert. Die ursprnglich am Boden durch die Sonneneinstrahlung aufgenommene Energie wird also in gr秤eren Hhen wieder frei und fhrt dort zu einer Temperaturerhhung. Dadurch kommt es zur Ausbildung eines feuchtadiabatischen Temperaturgradienten, die Atmosphre wird also nach oben langsamer klter, als ohne die latente Wrme bei einem trockenadiabatischen Gradienten zu erwarten wre

Diese Phasenbergnge und die damit verbundenen energetischen Prozesse (Ernergieaufwand bzw. Energiefreisetzung sind wesentliche Antriebe fr unser Wetter. Weitere Einzelheiten dazu stehen im Abschnitt Thermodynamik bzw. in den Kapiteln Temperaturgradient und Wasserdampf.

 

Art des Phasenbergangs

bergang von ...

Beispiel Wasser

Schmelzen

... fest zu flssig.
Die Temperatur, bei der dieser bergang mglich ist, wird als Schmelztemperatur  bezeichnet.   

Eis schmilzt in der Sonne oder im Sprudelglas, da es Wrme(energie) aus der Umgebung aufnimmt. Die Schmelztemperatur liegt bei 0 캜.

Erstarren

... flssig zu fest.
Die Temperatur, bei der dieser bergang mglich ist, wird als Erstarrungstemperatur bezeichnet. Sie ist gleich der Schmelztemperatur.  

Wasser erstarrt (gefriert) z.B. in der Eiswrfelschale in der Gefriertruhe zu Eis, da es abgekhlt wird. Die Erstarrungstemperatur liegt bei 0 캜. Aufgrund der Dichteanomalie des Wassers dehnt es sich dabei aus.

Verdampfen

... flssig zu gasfrmig.
Die Temperatur, bei der dieser bergang mglich ist, bezeichnet man als Siedetemperatur.  

Im Kochtopf verdampft das Wasser zu Wasserdampf, da es Wrme(energie) von der Herdplatte aufnimmt. Es siedet. Die Siedetemperatur von Wasser liegt bei 100 캜. Am Topfboden bilden sich Wasserdampfblasen. Sie steigen nach oben und der Dampf verlsst das Wasser.

Verdunsten

... flssig zu gasfrmig.
Als Verdunstung bezeichnet man den bergang flssiger Stoffe in den gasfrmigen Aggregatzustand unterhalb der Siedetemperatur. Die Verdunstung verluft langsamer als die Verdampfung, da dem Stoff weniger Wrme(energie) zugefhrt wird.

Wasser verdunstet, wenn die Sonne die Luft erwrmt: Pftzen trocknen aus.

Kondensieren

... gasfrmig zu flssig.
Die Temperatur, bei der dieser bergang mglich ist, bezeichnet man als Kondensationstemperatur*. Sie ist gleich der Siedetemperatur.

Am khlen Kochtopfdeckel kondensiert der Wasserdampf zu Wasser, da dieser dort abkhlt. Die Kondensationstemperatur von Wasser liegt bei 100 캜.

Sublimieren

... gasfrmig zu fest.  

Gefrorene Wsche trocknet an kalten, trockenen Tagen im Freien.

Resublimieren

... fest zu gasfrmig.

Raureifbildung.

Wasser ist die einzige chemische Verbindung auf der Erde, die in der Natur in allen drei Aggregatzustnden vorkommt. Die Bezeichnung Wasser wird im Sprachgebrauch fr den flssigen Aggregatzustand verwendet. Im festen (gefrorenen) Zustand spricht man von Eis, im gasfrmigen Zustand von Wasserdampf. Unter Normalbedingungen kommt Wasser auf der Erdoberflche im gasfrmigen, flssigen und festem Aggregatzustand (Phasen) vor.

 

Latente Energie - die verborgene Kraft des Wassers

Wie schon ausgefhrt, wird bei den Phasenumwandlungen jeglicher Art jeweils ein bestimmtes Ma an Wrmeenergie aufgenommen oder freigesetzt. Fr die Meteorologie ist diesbezglich der Stoff "Wasser" von besonderer Bedeutung, der bei seinen Phasenwechseln groe Energiemengen in der Troposphre umsetzt. Eben diese Energiemenge bildet einen, wenn nicht den wesentlichen Antriebsfaktor in der Wetterkche. Die latente Wrmeenergie (lat. latere = verborgen) ist dabei die Wrmeenergie, die bei konstanter Temperatur und konstantem Luftdruck fr einen Aggregatzustandswechsel eines Stoffes bentigt bzw. bei einem Phasenbergang freigesetzt wird. Der Begriff "latente Wrmeenergie" steht dabei fr die Wrmemenge, die im Wasserdampf als potentielle Energie gespeichert ist. Luft, die Wasserdampf enthlt, besitzt deshalb immer eine groe Energiemenge, die sich aber nicht in der Temperatur auswirkt und darum latent (verborgen) genannt wird.

Diese Wrmemenge stammt aus der Verdunstung von Wasser, wobei sie hauptschlich den Wasseroberflchen entzogen wird (ca. 86 % Meeres- und 14 % Landanteil). Whrend des Verdunstungsvorgangs wird der Verdunstungsoberflche Wrme entzogen,d.h. die Temperatur an der Verdunstungsoberflche nimmt ab. Das ist der khlende Effekt beim Schwitzen oder nach dem Baden an der frischen Luft. Dieser verdunstungsbedingte Abkhlungseffekt tritt auch bei den unterschiedlichsten Wetterphnomenen auf.

Im Winter kann die Verdunstungsabkhlung zu einem raschen Absinken der Schneefallgrenze fhren. Fllt z.B. der Regen in eine trockene bodennahe Luftschicht, verdunstet er zunchst und khlt somit diese Luftschicht ab. In der Folge sinkt die Schneefallgrenze ab. In Gebirgstlern ist das hufig zu beobachten. Eine signifikante Verdunstungsabkhlung kann aber auch im Umfeld von Gewittern, insbesondere aber auch bei tropischen Wirbelstrmen festgestellt werden. Letztere beziehen den Groteil ihrer Energie aus dem Oberflchenwasser der tropischen Meere. Bei der Verdunstung wird diesem Wrmeenergie entzogen, was eine deutliche Temperaturabsenkung der Wasseroberflche zur Folge hat. So ist mit Durchzug von Hurrikan "Katrina" die Wasseroberflchentemperatur im Golf von Mexiko um etwa 1 Kelvin von 32캜 auf 31캜 abgesunken.

Bei der Kondensation (bergang gasfrmig-flssig) oder Sublimation (bergang gasfrmig-fest) des Wasserdampfes wird die aufgenommene latente Wrmeenergie schlielich wieder freigesetzt. In der Troposphre erhht sich dabei die Lufttemperatur der Umgebung. Dieser kondensationsbedingte Erwrmungseffekt tritt bei der Wolken- und Niederschlagsbildung auf. Insbesondere bei Gewitterwolken (Cumulonimbus, Cb) ist die Freisetzung von latenter Energie von groer Bedeutung: Je mehr Wasserdampf kondensiert, umso mehr Wrmeenergie wird freigesetzt und desto gr秤er sind die Aufwinde in der Wolke. Dies ist damit letztlich auch der Grund, weshalb sich vor allem an schwlheien Sommertagen, an denen die Luft einen besonders hohen Feuchtegehalt aufweist, krftige Gewitter entwickeln knnen.

 

Schmelzen und Erstarren

Schmelzen bezeichnet den bergang vom festen in den flssigen, Erstarren den umgekehrten bergang vom flssigen in den festen Aggregatzustand.

  • Wird einem festen Stoff Wrme zugefhrt, geht er bei seiner Schmelztemperatur in den flssigen Aggregatzustand ber.
    Die zum Schmelzen erforderliche Wrme wird als Schmelzwrme bezeichnet.
  • Wird einer Flssigkeit Wrme entzogen, geht sie bei ihrer Erstarrungstemperatur in den festen Aggregatzustand ber.
    Die beim Erstarren frei werdende Wrme wird als Erstarrungswrme bezeichnet.
  • Whrend des Schmelzens und des Erstarrens ndert sich die Temperatur eines Stoffes nicht.
  • Beim Schmelzen vergr秤ert sich das Volumen eines Stoffs, bei Erstarren verringert es sich.
    • Wasser ist eine Ausnahme: Bei Wasser wird im Unterschied zu anderen Stoffen das Volumen beim Erstarren = Gefrieren gr秤er (Dichteanomalie des Wassers).
  • Schmelz- und Erstarrungstemperatur sind gleich gro. Sie hngen vom jeweiligen Stoff und vom Druck ab.
  • Schmelz- und Erstarrungswrme sind fr einen bestimmten Stoff ebenfalls gleich gro.

Die Schmelz- bzw. Erstarrungstemperaturen der verschiedenen Stoffe knnen auch in Abhngigkeit der Umgebungsbedingungen sehr unterschiedlich sein. Meist werden diese Temperaturen auf den normalen Luftdruck von 1.013 hPa bezogen. Es gibt aber auch Stoffe, fr die keine genaue Schmelz- oder Erstarrungstemperatur, sondern nur ein Temperaturbereich angegeben werden kann, in dem sie schmelzen bzw. erstarren. Das sind sog. amorphe Stoffe, wie z.B. Wachs und Glas.

Bei Wasser und teilweise auch bei anderen Stoffen spielt die Druckabhngigkeit der Schmelztemperatur eine Rolle.

Fr Wasser gilt:

  • Je gr秤er der Druck ist, desto niedriger ist die Schmelztemperatur von Eis.
    Wird z.B. mit den Schlittschuhkufen ein groer Druck auf das Eis ausgebt, schmilzt das Eis unter den Kufen auch bei Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt von 0 캜. Der Schlittschuhlufer gleitet somit auf einem sehr dnnen Wasserfilm.

Bei dem meisten anderen Stoffen, die sich beim Erstarren zusammenziehen, gilt dagegen:

  • Je gr秤er der Druck ist, desto hher ist die Schmelztemperatur.

Mit dem Teilchenmodell l癌t sich der Schmelzvorgang dadurch erklren, da sich mit der Zufuhr von Wrme die kinetische Energie der Teilchen des festen Stoffs erhht, die im festen Zustand einen bestimmten Platz einnehmen, um den sie hin- und herschwingen. Die Teilchen bewegen sich nunmehr heftiger, ihr mittlerer Abstand voneinander vergr秤ert sich. Schlielich ist ihre Energie so gro, da sie ihren festen Platz verlassen und sich beliebig gegeneinander bewegen knnen. Der Stoff ist flssig geworden.

Eiskristall

Beim Erstarren vollziehen sich dieser Vorgang in umgekehrten Richtung. Wird der Flssigkeit Wrme entzogen, verringert sich die kinetische Energie der Teilchen. Ihr mittlerer Abstand voneinander wird dadurch kleiner. Schlielich werden sie aneinander gebunden und nehmen so einen festen Platz ein, um den sie hin- und herschwingen. Die Flssigkeit ist erstarrt.

Der Zustandswechsel von flssig zu fest, also das Gefrieren, kommt bei Wasser in vielen Varianten vor. Es kann sich klares Eis oder eine Vielzahl von eiskristallinen Formen bilden, welche die verschiedenen Variationen von Eis ausmachen. Wir haben dafr fein differenzierende Begriffe herausgebildet, z.B. Glatteis, Schnee, Pulverschnee, Raureif, Schneematsch, usw. Nicht zuletzt wegen der ungewhnlichen Dichte-Temperatur-Funktion spricht man auch von der Anomalie des Wassers. Zu dieser Anomalie zhlt u.a. auch das Phnomen, da Wasser unterhalb seines Gefrierpunktes weiterhin in flssiger Form existieren kann (unterkhltes Wasser). Erst bei geeigneten Randbedingungen oder durch eine Strung, wie beim Auftreffen auf Festkrpern (z.B. den Tragflchen eines Flugzeuges), wird es schlagartig zu Eis.

Der dem Gefrieren entgegen gesetzte Zustandswechsel vom festen Zustand (Eis) zum flssigen Zustand (Wasser) kommt dagegen recht unspektakulr daher. Wenn die Temperatur steigt, schmilzt das Eis und wird zu Wasser. Auch der Schmelzpunkt ist jedem gut bekannt, er liegt bei 0 캜.

 

 

Sieden und Kondensieren

Sieden bezeichnet den bergang vom flssigen in den gasfrmigen, Kondensieren den umgekehrten bergang vom gasfrmigen in den flssigen Aggregatzustand.

  • Wird einer Flssigkeit Wrme zugefhrt, geht sie bei ihrer Siedetemperatur in den gasfrmigen Aggregatzustand ber.
    Die zum Sieden erforderliche Wrme wird als Verdampfungswrme bezeichnet.
  • Wird einem Gas Wrme entzogen, geht sie bei ihrer Kondensationstemperatur in den flssigen Aggregatzustand ber.
    Die beim Kondensieren frei werdende Wrme wird als Kondensationswrme bezeichnet.
  • Whrend des Siedens und des Kondensierens bleibt die Temperatur eines Krpers gleich gro.
  • Beim Sieden vergr秤ert sich das Volumen eines Krpers, beim Kondensieren verringert es sich.
  • Siedetemperatur und Kondensationstemperatur sind gleich gro. Sie hngen vom jeweiligen Stoff und vom Druck ab.
  • Verdampfungswrme und Kondensationswrme sind fr einen bestimmten Stoff ebenfalls gleich gro.
  • Zum Sieden eines Stoffes ist also stets die Wrmemenge erforderlich, die beim Kondensieren wieder frei wird.

Die Siede- bzw. Kondensationstemperaturen der verschiedenen Stoffe knnen in Abhngigkeit der Umgebungsbedingungen sehr unterschiedlich sein. Diese Temperaturen werden meistens auf den Standard-Luftdruck von 1.013 hPa bezogen.

  • Je gr秤er der Druck ist, desto hher ist die Siedetemperatur.

Wird z.B. in einem Topf der Druck erhht, siedet das Wasser nicht bei einer Temperatur von 100 캜 wie beim normalen Luftdruck von 1.013 hPa, sondern bei hheren Temperaturen. Das wird im Schnellkochtopf und in Kraftwerken (Dampfkreislauf) genutzt. Umgekehrt ist auf hohen Bergen der Luftdruck niedriger und demzufolge ist auch die Siedetemperatur geringer als 100 캜.
Die bersicht zeigt beispielhaft, wie sich die Siedetemperatur mit dem Druck verndert.

Ort

Hhe ber NN

Luftdruck

Siedetemperatur des Wassers

Hamburg

    0 m

1013 hPa

    100 캜

Zugspitze

2963 m

  700 hPa

   ~ 90 캜

Mt. Everest

8850 m

  312 hPa

   ~ 70 캜

Mit dem Teilchenmodell kann der Vorgang beim Sieden dadurch erklren werden, da sich mit der Zufuhr von Wrme die kinetische Energie der Teilchen der Flssigkeit erhht. Die Teilchen bewegen sich somit heftiger, ihr mittlerer Abstand voneinander vergr秤ert sich. Schlielich ist ihre Energie so gro, da sie die Flssigkeit verlassen und sich beliebig gegeneinander bewegen knnen. Der Stoff wurde gasfrmig.

Beim Kondensieren vollzieht sich der Vorgang in umgekehrten Richtung. Wird dem Gas Wrme entzogen, verringert sich die kinetische Energie der Teilchen. Auch ihr mittlerer Abstand voneinander wird dadurch kleiner. Schlielich werden sie nher aneinander gebunden. Das Gas wurde flssig.

 

Raureif

Sublimation und Resublimation

Wenig beachtet sind fr gewhnlich die Aggregatswechsel, welche einen Zustand berspringen, etwa unmittelbar vom festen zum gasfrmigen Zustand oder umgekehrt. Wenn z.B. Schnee bei Dauerfrost lngere Zeit liegt, kann man beobachten, da sich die Schneemenge allmhlich verringert. Offensichtlich wandelt sich Schnee direkt in Wasserdampf um. Solche Wechsel werden Sublimation genannt.
Auch der umgekehrte Vorgang ist zu beobachten: Ein bekanntes Beispiel ist die Bildung von Raureif. Bei hoher Luftfeuchtigkeit und Temperaturen  im deutlichen Frostbereich kann sich Raureif bilden. Eindrcklich und schn ist an kalten Wintertagen die Raureifbildung an Bumen, wenn gegen die Windrichtung bizarre, nadelfrmige Eiskristalle in Form sechsstrahliger Dendriten entstehen. Es erfolgt also eine direkte Umwandlung vom gasfrmigen in den festen Aggregatzustand. Diese Aggregatzustandsnderung nennt man Resublimieren.

Das Sublimieren vollzieht sich schon bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur, aber auch bei hheren Temperaturen. Das Resublimieren geschieht schon bei Temperaturen oberhalb der Siedetemperatur, aber auch bei niedrigen Temperaturen. Eine bestimmte Temperatur lsst sich im Unterschied zum Schmelzen, Erstarren, Sieden oder Kondensieren fr diese Vorgnge nicht angeben.

Zum Sublimieren ist Wrme erforderlich, beim Resublimieren wird Wrme frei. Werte fr die betreffenden Wrmemengen lassen sich nicht angeben, weil die Ausgangstemperaturen, die Endtemperaturen und die Mengen an Stoff, bei denen sich eine Aggregatzustandsnderung vollzieht, sehr unterschiedlich und schwer bestimmbar sind.

Betrachtet man statt einer flssigen Wasseroberflche eine Eisoberflche, so gelten dieselben berlegungen auch fr Sublimation und Resublimation der Wassermolekle. Im Eiskristallverband unterliegen die Wassermolekle jedoch strkeren Bindungskrftenals in flssigem Wasser, so dass die Sttigungskonzentration ber einer Eisoberflche geringer ist als ber einer Oberflche flssigen (unterkhlten) Wassers derselben Temperatur. Dieser Umstand spielt eine wichtige Rolle bei der Bildung von Regentropfen in Wolken.

Mit dem Teilchenmodell kann der Vorgang beim Sublimieren dadurch erklrt werden, da sich die kinetische Energie der Teilchen im festen Aggregatzustand infolge der Zufuhr von Wrmeenergie erhht. Die Teilchen bewegen sich heftiger, ihr mittlerer Abstand voneinander vergr秤ert sich. Schlielich knnen einzelne Teilchen den festen Krper verlassen und sich beliebig im Raum ausbreiten. Ein geringer Teil des Stoffes wurde gasfrmig.

Beim Resublimieren vollzieht sich der Vorgang in umgekehrten Richtung. Wird dem Gas Wrme entzogen, verringert sich die kinetische Energie der Teilchen. Auch ihr mittlerer Abstand voneinander wird dadurch kleiner. Schlielich werden sie aneinander gebunden und nehmen so einen festen Platz ein, um den sie hin- und herschwingenliegen. Das Gas ist in den festen Aggregatzustand bergegangen.

Diese Phasenbergnge und die damit verbundenen energetischen Prozesse (Ernergieaufwand bzw. Energiefreisetzung sind wesentliche Antriebe fr unser Wetter. Weitere Einzelheiten dazu stehen im Abschnitt Thermodynamik bzw. in den Kapiteln Temperaturgradient und Wasserdampf.

 

Verdunsten und Verdampfen

Verdunsten bezeichnet den bergang vom flssigen in den gasfrmigen Aggregatzustand unterhalb der Siedetemperatur, Verdampfen den bergang vom flssigen in den gasfrmigen Aggregatzustand bei Siedetemperatur.

Das Verdampfen erfolgt also stets in Verbindung mit dem Sieden. Verdampfen und Sieden sind dabei synoyme Begriffe. Am Siedepunkt ist der Druck des Dampfes gleich dem ueren Luftdruck. Der Dampf steigt dann in Blasen in der Flssigkeit auf und entweicht. In den Bergen ist der Luftdruck niedriger ist als auf Meereshhe, weshalb das Wasser dort schon unter 100 캜 siedet.

Von Verdunsten spricht man, wenn eine Flssigkeit unterhalb ihres Siedepunktes nicht sichtbar in den gasfrmigen Zustand bergeht.
Beispiele: Nach dem Baden verdunstet das Wasser auf der Haut. Das im Badehandtuch enthaltene Wasser verdunstet beim Trocknen. Nach dem Regen trocknen die Pftzen allmhlich aus, weil das Wasser verdunstet.

An einer Wasseroberflche treten stets einzelne Wassermolekle vom Wasservolumen in das Luftvolumen ber. Im flssigen Wasser sind die Wassermolekle durch molekulare Krfte, vor allem durch die Wasserstoffbrckenbindungen, vergleichsweise stark aneinander gebunden, wodurch sich der zusammenhngende Flssigkeitsverbund berhaupt erst ausbilden kann. Infolge ihrer thermischen Bewegung ("Braunsche Molekularbewegung) tragen die Wassermolekle jedoch jeweils gewisse Betrge an kinetischer Energie, die um einen temperaturabhngigen Mittelwert herum streuen. Ein kleiner Anteil von Wassermoleklen hat daher stets gengend thermische Energie, um die Bindungskrfte der umgebenden Molekle zu berwinden. Sie knnen dann die Wasseroberflche verlassen und in das Luftvolumen bergehen, also verdunsten. Ist die Wasseroberflche wie zum Beispiel bei einem Tropfen nach auen gekrmmt, sind die Wassermolekle an der Oberflche weniger stark gebunden und knnen die Oberflche leichter verlassen. Dieser Krmmungseffekt hat zur Folge, da die Verdunstungsrate steigt. Wenn gesttigte Luft mit kleinen Nebeltrpfchen im Gleichgewicht steht, betrgt ihre relative Feuchtigkeit daher etwas ber 100 %. Ist die Wasseroberflche nach innen gekrmmt (wie zum Beispiel in einem teilweise wassergefllten Glas), so sind die Wassermolekle an der Oberflche strker gebunden und knnen die Oberflche weniger leicht verlassen die Verdunstungsrate sinkt. Wenn gesttigte Luft ber dem Wasserspiegel in unserem nur teilweise gefllten Glas mit der Oberflchenspannung des Wassers im Gleichgewicht steht, betrgt ihre relative Feuchtigkeit daher weniger als 100 %. Die Verdunstungsrate hngt also vom Anteil derjenigen Molekle ab, deren kinetische Energie die Bindungsenergie des Flssigkeitsverbundes berschreitet und wird daher unter anderem von der herrschenden Temperatur bestimmt. 

Umgekehrt treffen verdunstete Wassermolekle aus der Luft auch wieder auf die Wasseroberflche und knnen dort je nach ihrer kinetischen Energie mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit vom Moleklverbund eingefangen werden, also kondensieren. Die Kondensationsrate ist sowohl abhngig von der Dichte der Wassermolekle in der Luft als auch vom Luftdruck selbst. Die Abhngigkeit vom Umgebungsdruck bei gegebener Temperatur ist aber nur gering. Daskann bei Bedarf durch einen Korrekturfaktor bercksichtigt werden, der, abhngig von Temperatur und Druck, sich bei atmosphrischen Bedingungen im Bereich von 0,5 % bewegt.

Wie schnell eine Flssigkeit verdunstet, ist somit abhngig

  • von der Temperatur,
  • von der Gr秤e der Oberflche der Flssigkeit,
  • von der Art der Flssigkeit,
  • davon, wie schnell die verdunsteten Anteile abgefhrt werden.

Die Verdunstung ist umso strker, je hher die Temperatur ist und je gr秤er die Oberflche der Flssigkeit ist. Da die Aufnahmekapazitt der Luft fr Wasserdampf mit steigender Temperatur zunimmt, trocknet Wsche an warmen Tagen schneller als an kalten, vorausgesetzt die Luft ist nicht mit Wasserdampf gesttigt. Umgekehrt schlgt sich der Wasserdampf aus der Luft in kalten Nchten als Tau nieder, weil beim Abkhlen die Aufnahmekapazitt der Luft geringer wird. Der Wasserdampf kondensiert.

Es gibt eine Reihe von Flssigkeiten, die besonders schnell verdunsten. Dazu gehren z. B. 훦her, reiner Alkohol oder Benzin sowie viele Lsungsmittel. Flssigkeiten wie l oder Wasser verdunsten relativ langsam. Die Abfhrung der verdunsteten Anteile erfolgt vor allem durch Wind. Jeder hat schon die Erfahrung gemacht, da Wsche schneller trocknet oder eine Strae nach dem Regen schneller trocken wird, wenn ein krftiger Wind weht. Zum Verdunsten einer Flssigkeit ist Wrme erforderlich. Diese wird in der Regel der Umgebung entzogen. Diese Wrme wird als Verdunstungswrme, manchmal auch als Verdunstungsklte bezeichnet. Da bei der Verdunstung von Wasser der Umgebung Energie entzogen wird, kennt jeder vom Schwimmbad her. Das Wasser verdunstet auf der Haut und khlt diese dabei ab, man erlebt die sog. Verdunstungsklte. Auch die hohe Verdunstungsrate bei reinem Alkohol ist leicht feststellbar: Benetzt man z.B. die Haut auf dem Arm mit Alkohol, wird durch die rasche Verdunstung der Haut Wrme entzogen. Man sprt schnell die starke Verdunstungsklte.

Das Verdunsten von Flssigkeiten ist z. T. unerwnscht und wird z. T. genutzt.
Unerwnscht ist das Verdunsten z.B. bei Flssigkeiten, die lnger aufbewahrt oder lnger transportiert werden sollen. Besonders Flssigkeiten, die schnell verdunsten, wie Benzin, 훦her, Parfm, flssige Kleber oder Farben werden deshalb in geschlossenen Gef癌en gelagert und transportiert. Unerwnscht ist nach dem Schwimmen im Frei- oder Hallenbad auch das Verdunsten von Wasser auf der Haut. Das khlt diese nmlich ab und entzieht dem Krper Wrme, man erlebt die sog. Verdunstungsklte. Leicht kann das zu Erkltungen fhren, weshalb man ja nasse Badebekleidung wechseln soll.
Die Nutzung des Verdunstens erfolgt z.B. beim Trocknen von Wsche oder im medizinischen Bereich zur rtlichen Betubung (Kltespray). Dazu wird auf die betreffende Stelle der Haut eine schnell verdunstende Flssigkeit gesprht. Durch das Verdunsten wird der betreffenden Stelle viel Wrme entzogen. Die Stelle wird erheblich abgekhlt und dadurch unempfindlicher. Die Verdunstung spielt nicht zuletzt auch fr die Regulierung unserer Krpertemperatur eine wichtige Rolle. Bei hheren Auentemperaturen oder bei hherer Krpertemperatur z.B. bei der Arbeit oder im Sport bildet sich Schwei auf der Haut. Dieser Schwei verdunstet. Dazu ist ebenfalls Wrme erforderlich, die der Umgebung und besonders der Haut entzogen wird, so da unser Krper gekhlt wird. Schweibildung ist also eine natrliche Schutzfunktion unseres Krpers vor berhitzung.

 

Sttigungskurve

Sttigung

Die Menge Wasserdampf, die im Gleichgewicht von Verdunstung und Kondensation in der Luft enthalten ist bezeichnet man als Sttigungsmenge oder maximale Luftfeuchtigkeit. Sie ist umso gr秤er, je hher die Temperatur und je tiefer der Luftdruck ist. Denn in beiden Fllen kann viel mehr Wasserdampf in der Luft vorhanden sein, bis sich das Gleichgewicht einstellt. Hufig jedoch ndern sich Luftdruck oder Temperatur,bevor sich ein Gleichgewicht hat einstellen knnen und die Sttigungsmenge erreicht ist. Die Sttigungsmenge bei einer bestimmten Temperatur lsst sich in Form einer Kurve, der Sttigungskurve darstellen.

Wie viel Wasserdampf effektiv in der Luft vorhanden ist, gibt man meist als Gramm Wasserdampf pro Kubikmeter Luft (g/m) an. Man nennt dies die absolute Luftfeuchtigkeit. In derselben Einheit wird auch die Sttigungsmenge angegeben. Zudem kann mit der absoluten Luftfeuchtigkeit und der Sttigungsmenge die relative Luftfeuchtigkeit berechnet werden. Sie gibt an, wie viel Prozent die momentane Menge an Wasserdampf in der Luft, also die absolute Luftfeuchtigkeit, von der Sttigungsmenge ist. Sie wird folgendermaen berechnet:

Bei einer Luftfeuchtigkeit von 100% entspricht die absolute Luftfeuchtigkeit also gerade der Sttigungsmenge.

Wird ein Luftpaket abgekhlt, bleibt die absolute Luftfeuchtigkeit zunchst gleich. Die relative Luftfeuchtigkeit wird jedoch immer hher, da ja die Sttigungsmenge bei tieferen Temperaturen kleiner ist. Irgendeinmal wird eine Temperatur erreicht, bei der eine relative Luftfeuchtigkeit von 100% erreicht wird, die Luft also gesttigt ist. Diese Temperatur nennt man den Taupunkt. Wird das Luftpaket unter den Taupunkt abgekhlt, beginnt der Wasserdampf zu kondensieren, da die Kondensationsrate in diesem Augenblick gr秤er als die Verdunstungsrate ist. Es kondensiert so viel Wasser, bis das Gleichgewicht wieder hergestellt wird, die relative Luftfeuchtigkeit also 100% betrgt. Das kondensierte Wasser kann je nachdem in Form von Wolken, Regen, Tau oder wenn der Wasserdampf sublimiert, also direkt gefriert als Schnee oder Reif in Erscheinung treten.

relative Feuchte

Die Verdunstungsrate des Wassers kann bestimmte Maximalwerte nicht berschreiten. Es dauert daher lngere Zeit, bis sich das Gleichgewicht nach einer Strung wieder eingestellt hat. Wurde zum Beispiel durch nchtliche Abkhlung ein Teil des Feuchtigkeitsgehalts auskondensiert, so ist die Luft nach einer Erwrmung zunchst ungesttigt und kann den Sttigungszustand nur langsam wieder erreichen. Diese Teilsttigung ist fr unsere Atmosphre wegen der hufigen Temperaturschwankungen der Normalfall. Es ist fr zahlreiche Vorgnge von groer Bedeutung, wie weit die Luft vom Sttigungszustand entfernt ist. Die verschiedenen Feuchtigkeitsmae dienen dazu, diesen Zustand quantitativ zu beschreiben.

Bei Erhhung der Temperatur nimmt der Anteil an Wassermoleklen zu, welche gengend kinetische Energie besitzen, um die Wasseroberflche zu verlassen (siehe oben Verdunstung). Es stellt sich also eine hhere Verdunstungsrate ein, welche zur Wiederherstellung des Gleichgewichts durch eine hhere Kondensationsrate kompensiert werden muss, was aber eine hhere Konzentration von Wassermoleklen in der Luft voraussetzt. Die Sttigungskonzentration des Wasserdampfs nimmt daher, wie in der Sttigungskurve (links oben) dargestellt, mit steigender Temperatur exponentiell zu. Der Wasserdampf hat fr jede Temperatur (und fast unabhngig vom Umgebungsdruck) eine eindeutig bestimmte Sttigungskonzentration. Bei atmosphrischem Normaldruck von 1013,25 hPa kann ein Kubikmeter Luft bei 10 캜 maximal 9,41 g Wasser aufnehmen. Die gleiche Luftmenge nimmt bei 30 캜 schon 30,38 g Wasser auf und bei 60 캜 sind es schon ber 100 g Wasser. Man bezeichnet diese Sttigungskonzentration als maximale Feuchtigkeit. Diesen Zusammenhang zeigt die Tabelle rechts.

 

Sttigungsdampfdruck

Der Sttigungsdampfdruck ist der Druck der dampffrmigen Phase eines Stoffes, wenn dessen flssige und dampffrmige Phasen sich im Gleichgewicht befinden. Er  ist lediglich von der Temperatur abhngig. Der Sttigungsdampfdruck bei gegebener Temperatur ist daher der Druck, der ber der flssigen Phase entsteht, wenn die Verdampfung bzw. Sublimation der Flssigkeit bzw. des Feststoffes mengenm癌ig gleich der Kondensation bzw. Resublimation des Gases ist. Keine der Phasen wchst dann auf Kosten der anderen, wodurch beide nebeneinander stabil existieren knnen. Bei einer Temperatur- oder Volumennderung verdampft oder kondensiert so viel des Stoffes, bis im Gleichgewicht der Druck wieder den Sttigungsdampfdruck erreicht. Der Sttigungsdampfdruck ist damit ein Ma fr den Anteil derjenigen Molekle oder Atome, die gengend Energie besitzen, die Kohsionskrfte und die Oberflchenspannung eines Stoffes zu berwinden und in die gasfrmige Phase zu wechseln.

Wichtige Beispiele sind Wasserdampf und Luftfeuchtigkeit. Viele Feuchtemae werden ber Dampfdruck und Sttigungsdampfdruck definiert oder berechnet, besonders im Zusammenhang der relativen Luftfeuchtigkeit, des Sttigungsdefizits und des Taupunkts. Die mit dem Sttigungsdampfdruck beschriebenen thermodynamischen Eigenschaften sind von gr秤ter Bedeutung und finden auch in nahezu allen naturwissenschaftlichen und technischen Disziplinen eine mannigfaltige Verwendung, wobei Wasser hier zwar den wichtigsten Stoff darstellt, diese Anwendungen jedoch auch keineswegs auf Wasser beschrnkt bleiben. Besonders bedeutungsvoll sind hierbei die Effekte (siehe unten) einer realen Umgebung auf den theoretisch hergeleiteten Sttigungsdampfdruck, da sich hieraus viele fr die Meteorologie aber auch fr technische Anwendungen wichtige Erkenntnisse und Anwendungen ableiten.

Bei Bildung von Flssigkeitspartikel an Kondensationskernen tritt zustzlich der Krmmungseffekt auf. Es zeigt sich dabei, dass ber den gekrmmten Oberflchen der entstehenden Flssigkeitstropfen ein hherer Sttigungsdampfdruck auftritt, als im Vergleich zu einer planaren Wasseroberflche. Liegt die Flssigkeit bei einer 훞derung des Aggregatzustands nicht als Reinstoff vor, so muss man auch den Lsungseffekt beachten. Die in der Flssigkeit gelsten Teilchen erschweren es hierbei den Flssigkeitsverbund zu verlassen, weshalb der Sttigungsdampfdruck niedriger ist, als es bei einer reinen Flssigkeit der Fall wre. Unter atmosphrischen Bedingungen treten beide Effekte meist gemeinsam auf und bedingen sich gegenseitig.

 

Wasser - ein ganz besonderes Molekl    

Wassermolekl

Das Wassermolekl:
wei = Wasserstoff,
blau  = Sauerstoff.
Das  Molekl hat eine negativ und zwei positiv geladene Seiten.

Wasserstoffbrcke

Bindungen mit Wasserstoffbrcken (punktierte Linien)

Die chemische Formel von Wasser - H2O - ist drfte wohl die bekannteste Formel der Welt sein und trotzdem berrascht Wasser die Wissenschaft bis heute. Wasser ist nmlich in vielerlei Hinsicht nicht "normal"
- und das ist auch gut so.

Fr ein Molekl seiner Gr秤e hat Wasser eigentlich einen viel zu hohen Schmelzpunkt (0 캜). Zudem verdampft es erst bei 100 캜. Nur deswegen kann es auf der Erde berhaupt Flsse und Seen geben. Auerdem werden Stoffe "normalerweise" dichter, je klter sie werden - Wasser aber nicht. Daher schwimmt Eis auf dem Wasser, so da z.B. Lebewesen unter der Eisdecke berleben knnen. Auch die Wrmespeicherkapazitt von Wasser ist viel gr秤er, als es einem Molekl seiner Gr秤e zukommt - nur darum knnen Meeresstrmungen das Klima in Europa so angenehm machen.

Wasserdampf hat andererseits eine geringere Dichte und deshalb leichter als trockene Luft. Daher ist feuchte Luft stets bestrebt nach oben aufzusteigen, was zur grndlichen Durchmischung der Atmosphre sorgt. Ansonsten wrde die feuchte Luft am Boden liegen bleiben - ein unertrglich feucht-schwles Klima wre das Ergebnis

Der Grund fr dieses besondere Verhalten liegt in der Struktur des Wassermolekls:
Das Molekl ist aufgebaut wie ein V (siehe Abbildung rechts oben). Unten am V sitzt das Sauerstoff-Atom, oben die beiden Wasserstoff-Atome. Diese sind positiv, das Sauerstoff-Atom ist aber negativ geladen. So knnen sich die Wasserstoff-Atome eines Wasser-Molekls (ber eine sog. Wasserstoffbrcken-Bindung) an die Sauerstoff-Atome eines anderen Wasser-Molekls anlagern. Auf diese Weise bilden sie Verbnde, die gr秤er sind und zudem andere Eigenschaften haben als das eigentliche Wasser-Molekl (siehe Abbildung rechts unten). Dies ermglicht die Entstehung von 밡etzen, was die besonderen Eigenschaften des Wassers erklrt.

Diese besonderen Eigenschaften machen Wasser zu dem zentralen Element des Lebens auf der Erde. Es vermag durch seine polare Struktur viele Stoffe zu lsen und ist dadurch das universale Lsemittel in vielen Stoffwechselvorgngen. zugleich kann es durch seine stabile Struktur aber auch andere Stoffe stabilisieren, etwa Eiweie oder die Erbsubstanz DNA. Wie wichtig Wasser fr das Leben ist, machen folgende Zahlen deutlich:
Der Krper des Menschen besteht zu etwa 60 %, das Gehirn sogar zu 70 - 75 % aus Wasser

(Kommentar zur letzten Zahl: Hab ich mir doch gleich gedacht!).

 

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