Wasser

Wasser kennst du aus dem Glas, vom Regen, aus dem Schwimmbad und als Eiswürfel. In der Chemie ist Wasser aber mehr als eine Alltagsflüssigkeit: An seinem Molekül kannst du lernen, wie Teilchenbau und Stoffeigenschaften zusammenhängen.

Nach dieser Erklärung kannst du erklären, warum Wasser viele Stoffe löst, warum Eis schwimmt und warum reines Wasser anders leitet als Salzwasser.

Deine Lernziele

• Ich kann den Aufbau eines Wassermoleküls mit der Formel $H_2O$ beschreiben.
• Ich kann erklären, warum Wasser ein Dipol ist.
• Ich kann Wasserstoffbrücken mit wichtigen Eigenschaften von Wasser verbinden.
• Ich kann die Dichteanomalie von Wasser deuten.
• Ich kann einschätzen, wann Wasser Stoffe löst und wann es Strom leitet.

Das Wassermolekül

Wenn du Wasser siehst, siehst du nicht einzelne Teilchen. Chemisch betrachtet besteht Wasser aus sehr vielen gleichartigen Molekülen.

Definition

Molekül

Ein Molekül ist ein Teilchen aus mindestens zwei Atomen, die durch chemische Bindungen zusammenhalten. Ein Wassermolekül besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom.

Die Formel von Wasser lautet \(H_2O\). Die kleine 2 gehört zum Wasserstoffsymbol H. Sie bedeutet: In jedem Wassermolekül sind zwei Wasserstoffatome. Beim Sauerstoffsymbol O steht keine kleine Zahl. Das bedeutet: Es ist ein Sauerstoffatom enthalten.

Beispiel

So liest du die Formel \(H_2O\):

1. \(H\) steht für Wasserstoff.
2. Die kleine 2 hinter \(H\) bedeutet: zwei Wasserstoffatome.
3. \(O\) steht für Sauerstoff.
4. Keine kleine Zahl hinter \(O\) bedeutet: ein Sauerstoffatom.

Ein Wassermolekül enthält also insgesamt drei Atome.

Merke

Die Formel \(H_2O\) beschreibt ein Wassermolekül: 2 H-Atome und 1 O-Atom.

Warum Wasser ein Dipol ist

Wasser ist nicht einfach eine gerade Kette aus H-O-H. Das Molekül ist gewinkelt. Außerdem zieht Sauerstoff die gemeinsamen Bindungselektronen stärker an als Wasserstoff.

Definition

Dipol

Ein Dipol ist ein Teilchen mit zwei unterschiedlichen Ladungsseiten: eine Seite ist etwas negativer, die andere etwas positiver. Das Teilchen ist insgesamt trotzdem neutral.

Beim Wassermolekül liegt die etwas negative Seite am Sauerstoff. Die beiden Wasserstoffseiten sind etwas positiv. Diese kleinen Teilladungen schreibt man oft als \(\delta-\) am Sauerstoff und \(\delta+\) an den Wasserstoffatomen.

Beispiel

Stell dir ein Wassermolekül als gewinkeltes Teilchen vor:

• Sauerstoff zieht Elektronen stärker an.
• Darum ist die Sauerstoffseite etwas negativ.
• Die Wasserstoffseiten sind etwas positiv.
• Weil das Molekül gewinkelt ist, heben sich diese Ladungsseiten nicht vollständig auf.

Ergebnis: Wasser ist ein Dipol.

Gut zu wissen

Das Wort "polar" bedeutet in der Chemie: Es gibt getrennte Ladungsbereiche. Wasser ist deshalb ein polares Lösungsmittel. Unpolare Stoffe wie Öl passen viel schlechter dazu.

Wasserstoffbrücken: kleine Anziehungen mit großer Wirkung

Die positiven Wasserstoffseiten eines Wassermoleküls werden von der negativen Sauerstoffseite eines Nachbarmoleküls angezogen. Dadurch halten Wassermoleküle kurzfristig zusammen.

Definition

Wasserstoffbrücke

Eine Wasserstoffbrücke ist eine Anziehung zwischen einem positiv teilgeladenen Wasserstoffatom eines Moleküls und einem negativ teilgeladenen Atom eines anderen Moleküls. Bei Wasser entsteht sie zwischen H-Seiten und O-Seiten benachbarter Moleküle.

Wasserstoffbrücken sind keine normalen Atombindungen innerhalb eines Wassermoleküls. Sie wirken zwischen verschiedenen Wassermolekülen. Trotzdem beeinflussen sie viele Eigenschaften: Wasser bildet Tropfen, besitzt eine hohe Oberflächenspannung und braucht relativ viel Energie zum Erwärmen und Verdampfen.

Beispiel

Warum kann ein Wasserläufer auf Wasser laufen?

1. An der Oberfläche sind Wassermoleküle nur seitlich und nach unten von anderen Wassermolekülen umgeben.
2. Wasserstoffbrücken ziehen diese Moleküle zusammen.
3. Dadurch wirkt die Oberfläche wie eine sehr dünne gespannte Haut.
4. Kleine, leichte Tiere können diese Haut eindrücken, ohne sofort einzusinken.

Das ist Oberflächenspannung.

Merke

Viele besonderen Eigenschaften von Wasser kommen nicht nur vom einzelnen Molekül, sondern davon, wie viele Wassermoleküle einander anziehen.

Aggregatzustände und Dichteanomalie

Wasser kann fest, flüssig und gasförmig vorkommen. Im Alltag heißen diese Formen Eis, flüssiges Wasser und Wasserdampf.

Definition

Aggregatzustand

Ein Aggregatzustand beschreibt, wie die Teilchen eines Stoffes angeordnet sind und wie stark sie sich bewegen. Die wichtigsten Aggregatzustände sind fest, flüssig und gasförmig.

Beim Erwärmen bewegen sich Wassermoleküle schneller. Beim Abkühlen bewegen sie sich langsamer. Bei normalem Luftdruck schmilzt Eis bei etwa \(0^\circ C\) und Wasser siedet bei etwa \(100^\circ C\).

Beispiel

Teilchenmodell beim Zustandswechsel:

• Eis: Wassermoleküle sitzen in einer geordneten Struktur.
• Flüssiges Wasser: Die Moleküle bleiben nahe beieinander, können aber aneinander vorbeigleiten.
• Wasserdampf: Die Moleküle sind weit voneinander entfernt und bewegen sich schnell.

Beim Schmelzen wird die starre Eisstruktur gelockert. Beim Verdampfen lösen sich die Moleküle weitgehend voneinander.

Ungewöhnlich ist die Dichteanomalie: Wasser hat bei ungefähr \(4^\circ C\) seine größte Dichte. Beim Gefrieren entsteht durch Wasserstoffbrücken eine offene Eisstruktur. Diese Struktur braucht mehr Platz als flüssiges Wasser. Darum ist Eis weniger dicht und schwimmt.

Definition

Dichte

Die Dichte beschreibt, wie viel Masse in einem bestimmten Volumen steckt. Vereinfacht: Bei gleicher Menge Platz ist der Stoff mit größerer Masse dichter.

Beispiel

Warum friert ein See von oben zu?

1. Kaltes Wasser bis etwa \(4^\circ C\) ist dichter und sinkt nach unten.
2. Wasser unter \(4^\circ C\) wird wieder weniger dicht und bleibt eher oben.
3. Wenn die Oberfläche gefriert, schwimmt das Eis auf dem flüssigen Wasser.
4. Unter der Eisschicht bleibt Wasser flüssig.

Das ist wichtig für Lebewesen im See.

Wasser als Lösungsmittel

Wenn du Salz in Wasser gibst, verschwindet das Salz nicht. Es zerfällt in sehr kleine gelöste Teilchen, die du mit bloßem Auge nicht mehr erkennst.

Definition

Lösungsmittel

Ein Lösungsmittel ist ein Stoff, der andere Stoffe lösen kann. Der gelöste Stoff verteilt sich dabei in sehr kleinen Teilchen im Lösungsmittel.

Wasser löst viele ionische und polare Stoffe gut. Das liegt am Dipolcharakter. Die negative Sauerstoffseite zieht positive Ionen an, die positiven Wasserstoffseiten ziehen negative Ionen an. So können Wassermoleküle Teilchen umgeben und voneinander trennen.

Beispiel

Kochsalz in Wasser:

1. Festes Kochsalz besteht aus positiv geladenen Natrium-Ionen und negativ geladenen Chlorid-Ionen.
2. Wassermoleküle richten sich an den Ionen aus.
3. Die Sauerstoffseite zeigt eher zu den Natrium-Ionen.
4. Die Wasserstoffseiten zeigen eher zu den Chlorid-Ionen.
5. Viele Wassermoleküle umhüllen die Ionen. So verteilt sich das Salz im Wasser.

Öl löst sich dagegen kaum in Wasser. Öl ist überwiegend unpolar. Zwischen Wasser und Öl entstehen nicht genug passende Anziehungen. Darum trennen sich beide Flüssigkeiten wieder.

Merke

Merksatz: "Ähnliches löst sich in Ähnlichem." Polares Wasser löst polare Stoffe und viele Salze gut, unpolare Stoffe wie Öl schlecht.

pH-Wert, Leitfähigkeit und Reaktionen

Reines Wasser ist weder deutlich sauer noch deutlich basisch. Trotzdem gibt es in Wasser immer ganz wenige Ionen.

Definition

pH-Wert

Der pH-Wert beschreibt, wie sauer oder basisch eine Lösung ist. pH 7 gilt bei Raumtemperatur als neutral, kleinere Werte sind sauer, größere Werte sind basisch.

Reines Wasser hat ungefähr pH 7. In natürlichem Wasser können gelöste Stoffe den pH-Wert verändern. Kohlenstoffdioxid aus der Luft kann Wasser zum Beispiel leicht sauer machen.

Definition

Leitfähigkeit

Die elektrische Leitfähigkeit beschreibt, wie gut ein Stoff elektrischen Strom transportiert. In Wasser übernehmen bewegliche Ionen den Ladungstransport.

Sehr reines Wasser leitet Strom nur schlecht, weil kaum Ionen vorhanden sind. Leitungswasser und Salzwasser leiten besser, weil darin gelöste Ionen vorkommen.

Beispiel

Vergleich von drei Wasserproben:

1. Destilliertes Wasser: kaum gelöste Ionen, sehr geringe Leitfähigkeit.
2. Leitungswasser: einige Mineral-Ionen, messbare Leitfähigkeit.
3. Salzwasser: viele Ionen, deutlich höhere Leitfähigkeit.

Wichtig: Nicht das Wassermolekül selbst ist der gute Stromleiter, sondern die gelösten Ionen.

Wasser kann auch an chemischen Reaktionen beteiligt sein. Bei der Elektrolyse wird Wasser mithilfe elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt:

Die Gleichung ist ausgeglichen: Links und rechts stehen jeweils vier Wasserstoffatome und zwei Sauerstoffatome.

Beispiel

Atombilanz der Elektrolysegleichung:

• Links: \(2 H_2O\) enthält \(4\) H-Atome und \(2\) O-Atome.
• Rechts: \(2 H_2\) enthält \(4\) H-Atome, \(O_2\) enthält \(2\) O-Atome.
• Die Anzahl jeder Atomsorte ist gleich.

Darum ist die Reaktionsgleichung ausgeglichen.

Prüfungsmodus

In Aufgaben zu Wasser musst du oft vom Beobachten zum Teilchenmodell wechseln. Frage dich: Welche Teilchen sind vorhanden? Welche Ladungen oder Teilladungen wirken? Welche Eigenschaft wird dadurch erklärt?

Beispiel

Fehler finden:

Eine Schülerin schreibt: "Eis schwimmt, weil kalte Stoffe immer leichter sind."

Korrektur:

1. "Immer" ist falsch. Viele feste Stoffe sind dichter als ihre Flüssigkeit.
2. Bei Wasser ist die offene Eisstruktur entscheidend.
3. Eis schwimmt, weil es eine geringere Dichte als flüssiges Wasser hat.

Alles auf einen Blick

Abschluss-Check

Nutze jetzt mehrere Ideen gleichzeitig. Die Fragen enthalten neue Situationen, aber keine neuen Regeln.

Zusammenfassung

Wasser ist die chemische Verbindung \(H_2O\). Jedes Wassermolekül besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom.

Weil Sauerstoff Elektronen stärker anzieht und das Molekül gewinkelt ist, ist Wasser ein Dipol. Zwischen Wassermolekülen entstehen Wasserstoffbrücken. Sie erklären viele Eigenschaften, zum Beispiel Oberflächenspannung, hohe Siedetemperatur im Vergleich zu ähnlich kleinen Molekülen und die besondere Eisstruktur.

Wasser ist ein wichtiges Lösungsmittel für viele Salze und polare Stoffe. Reines Wasser hat ungefähr pH 7 und leitet Strom nur schlecht. Leitungswasser oder Salzwasser leiten besser, weil darin bewegliche Ionen gelöst sind.