H-O-H
Das Element "Wasser"

Laut Lexikon ist Wasser eine geschmack- und geruchlose, durchsichtig klare und farblose Flüssigkeit, aber was ist Wasser wirklich? Wasser besteht aus winzigen Wassermolekülen. Jedes Wassermolekül setzt sich aus drei Atomen zusammen, und zwar aus zwei der meistverbreiteten Elemente der Natur, aus einem Sauerstoffatom ("O" für Oxygenium) und zwei daran gebundenen Wasserstoffatomen ("H" für Hydrogenium): H₂O. Wasser ist ein Stoff mit geradezu wunderbaren Eigenschaften. Das hängt mit einigen Besonderheiten zusammen.
Die Atome eines Wassermoleküls liegen nicht auf einer geraden Linie hintereinander, sondern zwischen den beiden H-Atomen und dem O-Atom liegt ein Winkel von circa 105 Grad. Außerdem sind die Atome elektrisch unterschiedlich "polarisiert". Das Sauerstoffatom zieht aufgrund seiner höheren Elektronegativität die negativ geladenen Bindungselektronen stärker an als das Wasserstoffatom. Durch den gewinkelten Aufbau des Wassermoleküls entsteht so ein Dipol (Zweipoligkeit) mit einem negativen Pol am Sauerstoffatom und einem positiven Pol, der von den beiden Wasserstoffatomen gebildet wird. Ein Magnet funktioniert ähnlich. Da sich gleiche Ladungen abstoßen und unterschiedliche Ladungen anziehen, richten sich die Moleküle im Wasser nach gewissen Mustern aus: Zwischen dem Sauerstoffatom eines Wassermoleküls mit negativer Teilladung und einem Wasserstoffatom eines anderen Wassermoleküls mit positiver Teilladung bildet sich eine mehr oder weniger feste Bindung, die sogenannte Wasserstoffbrücke. Alle wichtigen Eigenschaften des Wassers sind aus dieser gegenseitigen Anziehung der Wassermoleküle zu verstehen.

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Die Oberflächenspannung
Wasser hat "Balken"

Im Wasser gleichen sich die Anziehungskräfte der Teilchen zueinander aus. Jedes Molekül wird von seinen linken und seinen rechten Nachbarn und gleichzeitig von seinen oberen und unteren gleich stark angezogen. An der Wasseroberfläche haben die Moleküle jedoch keinen oberen Nachbarn! Deshalb wirkt auf ein Oberflächenmolekül eine Kraft, die ins Innere der Flüssigkeit gerichtet ist. Sie verleiht der Wasseroberfläche eine besondere Festigkeit, die sogenannte Oberflächenspannung. Durch diese Oberflächenspannung verhält sich das Wasser so, als ob es eine dünne, tragfähige Haut hätte. Die Wassermoleküle halten an der Wasseroberfläche so stark zusammen, dass sogar kleine Insekten, wie der Wasserläufer, darauf laufen können oder eine Wasserschnecke mit ihrem Fuß kopfüber unter Wasser an der Wasseroberfläche entlangkriechen kann.

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Dichteanomalie
Wasser ist anders

Wem ist das nicht schon einmal passiert? Man hat eine Flasche mit Wasser im Gefrierfach vergessen, und prompt ist sie geplatzt! Warum?
Normalerweise dehnen sich Stoffe mit steigender Temperatur aus, das heißt, ihre Dichte (also das Verhältnis von Masse zu Volumen) nimmt ab, die Stoffe "werden leichter". Und normalerweise ziehen sie sich beim Abkühlen zusammen und gehen bei genügend tiefen Temperaturen in den festen Zustand über. Sie werden dichter und damit schwerer als ihre Flüssigkeit und gehen darin unter. Bei Wasser verhält es sich tatsächlich anders. Es besitzt die ungewöhnliche Eigenschaft, dass es seine größte Dichte und damit das geringste Volumen bei vier Grad Celsius hat. Wasser dehnt sich also aus, wenn es gefriert, und schwimmt als Eis auf der Wasseroberfläche. Es ist also leichter als Wasser. (Ein Liter Wasser wiegt genau ein Kilogramm, ein Liter Eis jedoch nur 917 Gramm.) Das ist nicht "normal" und deswegen spricht man von der Dichteanomalie des Wassers ("anomalos" ist griechisch und bedeutet "abweichend").
Wie ist das zu erklären? Im festen Zustand sind die Moleküle eines Stoffes normalerweise Platz sparend in einem geordneten Kristallgitter ausgerichtet. Dieses wird beim Schmelzen aufgelöst. Mit steigender Temperatur bewegen sich die Moleküle immer heftiger und beanspruchen dadurch immer mehr Platz. Deshalb dehnen sich die Stoffe mit steigender Temperatur gewöhnlich aus. Wenn dies beim Wasser anders ist, dann hat das einen einfachen Grund: Im Eiskristall sind die Wassermoleküle zwar auch gitterförmig angeordnet, bilden dabei aber relativ große Hohlräume. Beim Schmelzen bricht diese starre Ordnung auseinander, und die Moleküle können sich dichter aneinanderlagern, obwohl sie sich stärker bewegen. Übrigens: Wasser ist der einzige Stoff, bei dem der feste Zustand auf dem flüssigen schwimmt!
Die Dichteanomalie des Wassers ist sehr wichtig für das Leben im Wasser, denn sie bewirkt, dass ein See immer nur von der Oberfläche her zufrieren kann. Unter dem Eis ergibt sich eine stabile Schichtung mit nach unten zunehmenden Temperaturen. Das vier Grad Celsius warme Wasser sammelt sich schließlich am Boden des Gewässers an, da es die höchste Dichte hat. Außerdem ist das Eis ein hervorragendes Isoliermaterial und schützt die darunterliegenden Wasserschichten vor weiterer Abkühlung. Die Konsequenz: Tiefere Seen und Meere frieren nach unten hin nie ganz zu, und so bleibt den Wasserlebewesen im Winter unter dem Eis eine Rückzugsmöglichkeit. Das Gleiche gilt auch für die Flüsse und Bäche. Hier wird die Eisbildung zusätzlich noch durch die Strömung des Wassers erschwert.

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Wasser als Lösungsmittel

Und noch eine wichtige Eigenschaft bringt der "Dipol" Wasser mit sich. Wasser ist ein wichtiges Lösungsmittel, denn geladene Teilchen wie Salze oder andere polare Stoffe wie Säuren oder Alkohol lösen sich exzellent im Wasser. Andererseits werden Substanzen, deren Molekülstrukturen ungeladen und/oder groß sind, vom Wasser abgestoßen. Sie neigen deshalb dazu, sich zusammenzubündeln, und grenzen sich vom Wasser ab. Zwei Beispiele: Kochsalz besteht aus positiv und negativ geladenen Teilchen, es löst sich gut im Wasser auf, Öl hat dagegen keine "freie Ladung", besteht aus größeren Teilchen und schwimmt - weil es eine geringere Dichte als Wasser besitzt - auf dem Wasser. Da Wasser viele andere chemische Stoffe, auch gasförmige, aufnehmen (lösen) kann, kommt es in der Natur niemals rein vor. Im Grundwasser sind beispielsweise viele Mineralien wie Calcium (Ca²+), Natrium (Na+) und Magnesium (Mg²+) gelöst. Übrigens dient das Wasser auch im Blut des Menschen als Lösungsmittel.

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Die Aggregatzustände
Wasser hat viele Gesichter

Wasser ist der einzige Stoff auf der Erde, der natürlicherweise in allen drei Zustandsformen (Aggregatzuständen) vorkommt:

• fest als Schnee und Eis
• flüssig als Grundwasser oder Oberflächenwasser in Form von Regen oder Wolken
• gasförmig als unsichtbarer Wasserdampf in der Luft

Am "normalsten" erscheint uns Wasser flüssig. Das gilt für Temperaturen zwischen null Grad Celsius und 100 Grad Celsius. Unter null Grad (Gefrierpunkt) erstarren die Moleküle zu Eiskristallen. Wird das Wasser erwärmt, bewegen sich die Wassermoleküle immer schneller und streben auseinander. Bei 100 Grad Celsius, seinem Siedepunkt, wechselt Wasser vom flüssigen zum gasförmigen Zustand, das Wasser verdampft. Dafür ist viel Energie - also Wärme - notwendig, denn die Wasserstoffbrückenbindungen, die die Moleküle zusammenhalten, müssen gelöst werden. Wasser hat deshalb die größte Verdampfungswärme aller Flüssigkeiten. Den Wärmebedarf kann man spüren: Wenn man den Handrücken mit Wasser oder Spucke befeuchtet und pustet, fühlt sich die Haut kühl an (Verdunstungskälte). Da das Wasser verdampft, braucht es Wärme, und die wird der Hand entzogen. Kein Wunder, dass es einem kalt ist, wenn man nach dem Schwimmen aus dem Wasser kommt.

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Wärmespeichervermögen
Frische Luft an heißen Tagen

Ein heißer Sommertag lädt ein zu einem Spaziergang oder Picknick am Fluss. Hier ist es angenehm kühl. Noch eine "magische Eigenschaft" des Wassers. Wasser ist ein exzellenter Wärmespeicher. Dadurch wirkt es temperaturausgleichend, denn es erwärmt sich langsamer als das Land und gibt die Wärme auch langsamer wieder ab.

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