Wasser als Stoff PDF

Molekularer Aufbau des Wassers → 2 H Atome ein O Atom (da dem H Atom ein Elektron und dem O Atom 2 Elektronen fehlen) → Fehlende Elektronen werden geteilt → Kovalente Bindung sehr stabil → Aufgrund sehr unterschiedlicher Elektronegativität → Polarer Dipol → Geometrie: gewinkelte Struktu...

Molekularer Aufbau des Wassers → 2 H Atome ein O Atom (da dem H Atom ein Elektron und dem O Atom 2 Elektronen fehlen) → Fehlende Elektronen werden geteilt → Kovalente Bindung sehr stabil → Aufgrund sehr unterschiedlicher Elektronegativität → Polarer Dipol → Geometrie: gewinkelte Struktur (ca. 104,5° Bindungswinkel) → Bindung zwischen Wasserstoff und Sauerstoff ist sehr stabil 7 Molekülstruktur von Wasser flüssige Phase → Bildung von Molekülaggregaten durch: → van-der-Waals-Kräfte (Massenanziehung von Molekülen) → Wasserstoffbrückenbindungen (WBB) aufgrund des Dipolcharakters → Sauerstoff ist zweifach negativ polarisiert, Wasserstoff ist positiv polarisiert → WBB zwischen positiv und negativ polarisierten Atomen → Pro Molekül können 4 WBB eingegangen werden → Dynamische Struktur → Wasser ist aufgrund der WBB unter Standardbedingungen flüssig 8 Molekülstruktur von Wasser Übergang feste Phase → Jeder Tetraeder geht weitere Verbindung ein → Bildung einer dreidimensionalen hexagonalen Struktur 9  Eigenschaften des Wassers in Vergleich zu anderen Stoffen Siedepunkt Wasser viel fester verbunden -> mehr Kraft wird benötigt um Wasser auseinanderzu kriegen → Der Siedepunkt von Wasser liegt deutlich höher als der, anderer Moleküle mit vergleichbarer Masse 10 Eigenschaften des Wassers in Vergleich zu anderen Stoffen Vergleich Wasser / Schwefelwasserstoff 11 Phasendiagramm des Wassers → Aggregatszustände sind abhängig von Druck und Temperatur Logarithmische Skalen 12 Phasendiagramm des Wassers Aggregatzustandsänderungen 13 Phasendiagramm des Wassers Sättigungsdampfdruck Sättigungsdampfdruck E(T) Beschrieben durch: Clausius Clapeyron Gleichung → Annäherung: Magnus Gleichung Zusammenhang ist nichtlinear Wasseraufnahmefähigkeit der Atmosphäre steigt um ca. 7% pro 1°C 14 Phasendiagramm des Wassers Sättigungsdampfdruck Sättigungsdampfdruck E(T) Beschrieben durch: Clausius Clapeyron Gleichung → Annäherung: Magnus Gleichung (über Wasser Zusammenhang ist nichtlinear Wasseraufnahmefähigkeit der Atmosphäre steigt um ca. 7% pro 1°C 15  Phasendiagramm des Wassers Vergleich Wasser / Schwefelwasserstoff Kritischer Punkt: Zustand in dem Flüssigkeit und Gas nicht mehr unterscheidbar sind. Oberhalb: Eigenschaften, die sowohl Flüssigkeit als auch Gas ähneln. 1000 hp Unterhalb des Tripelpunktes existiert flüssiges Wasser nicht mehr 16 Phasendiagramm des Wassers Unterkühltes Wasser Wasser benötigt Kristallisationskeime für die Bildung von Eis → Ohne Kristallisationskeime kein Gefrieren → Unterkühltes Wasser 17 Phasendiagramm des Wassers Regelation Unter Druck kann Eis schmelzen = Regelation Eis schmilzt durch sehr hohen Druck = Regelation 18 Die besonderen Eigenschaften des Wassers Überblick → Dichteanomalie → Thermische Ausdehnung → Hohe Oberflächenspannung / Kohäsion / Adhäsion → Hohe spezifische Wärme / Wärmekapazität → Hoher Energiebedarf bei Phasenübergängen → Hohes Lösungsvermögen (Salze und Gase) → Spezifische optische Eigenschaften (Brechung, Absorption) 19 Die besonderen Eigenschaften des Wassers Dichteanomalie Dichte spez. Volumen → Sprunghafte Volumenvergrößerung und Dichteverringerung durch Bildung hexagonaler Struktur durch Wasserstoffbrücken beim Gefrieren 20 Die besonderen Eigenschaften des Wassers Effekte der Dichteanomalie Seen Kryoturbation Frostverwitterung Dichte & Salzgehalt → Eis schwimmt oben → Wasser im Boden gefriert → Wasser im Stein gefriert → Dichte abhängig von und dehnt sich aus und dehnt sich aus Salzgehalt → 4° Wasser (höchste Dichte) sinkt nach unten → Wölbung → Sprengt den Stein → Maximum der Dichte verschiebt sich mit → Organismen können zunehmenden Salzgehalt überleben „nach hinten“ → Wichtig für Tiefenwasser- bildung in Ozeanen (siehe VL Ozeane) 21 Die besonderen Eigenschaften des Wassers Thermische Ausdehnung Gesamte Ausdehnung Schmelzwasser Thermische Ausdehnung → ⅓ des globalen Meeresspiegelanstiegs → warmes Wasser (>4°C) dehnt sich (ca. 30 cm) aufgrund von thermischer aus Ausdehnung → ca. 10 cm 22 Die besonderen Eigenschaften des Wassers Oberflächenspannung, Adhäsion und Kohäsion Kohäsion: starke Anziehungskraft zwischen Wassermolekülen nach innen (Wasserstoffbrücke) Im Gewässer In Luft → Hohe Oberflächenspannung an der Bildung eines Wassertropfens (Kugel) Wasseroberfläche → Minimierung der Oberfläche 23 Die besonderen Eigenschaften des Wassers Oberflächenspannung, Adhäsion und Kohäsion Adhäsion: Haftfähigkeit des Wassers (an verschiedenen Oberflächen) Ursache sind wiederum die Wasserstoffbrückenbindung zwischen H-Atomen des Wasser und den Molekülen des Materials → Kapillarer Aufstieg → Benetzungswinkel θ ist stark materialabhängig θ < 90° ➔ Adhäsion > Kohäsion → Aufstieg θ > 90° ➔ Adhäsion < Kohäsion → Abstieg Θ = Benetzungswinkel [rad] h = Höhe des Kapillaraufstiegs [m] cosθ∗2𝜎 ℎ= σ = Oberflächenspannung des Wassers [N/m] ρ = Dichte des Wassers [kg/m3] 𝜌∗𝑅∗𝑔 g = Gravitationskonstante [m/s2] R = Radius der Kapillare → Benetzungswinkel & Radius entscheidend! 24 Die besonderen Eigenschaften des Wassers Energie, die man benötigt um best. Medium um 1 Kelvin zu erhöhen Hohe spezifische Wärmekapazität Folgen: → Wärmespeicher und -übermittler → maritimes und kontinentales Klima → Golfstrom als „Heizung“ für Europa → Treiber für kleinräumige Windsysteme (Land-See- Windsysteme bspw.) → großräumige und langanhaltende Klimaschwankungen wie El Niño und La Niña auslösen 25 Die besonderen Eigenschaften des Wassers Elektrische Leitfähigkeit / Selbstdissoziation Leitfähigkeit Selbstdissoziation → Reines Wasser ist schlechter Leiter → Wasser zerfällt von sich aus in sehr geringem Maße in Ionen → Salze und andere Partikel erhöhen → Entstehende freie H+-Ionen werden gleich Leitfähigkeit stark wieder von Wassermolekülen aufgenommen → Messung von Wasserqualität, Bodenfeuchte → pH-Wert bleibt fast konstant um 7 (neutral) etc. pH-Wert: Anteil der freien H+-Kationen in einem Medium Je höher, desto saurer 26 Die besonderen Eigenschaften des Wassers Hohes Lösungsvermögen → Vor allem für Salze (z.B. NaCl) und Gase (z.B. O2, CO2) → Physikalische & chemische Eigenschaften ändern sich: → Volumen → Dichte → Schmelz- und Siedepunkt (va. NaCl) → Lösungsvermögen bei Gasen temperaturabhängig → Je kühler, desto höher Lösungsvermögen → Klimawandel 27 Die besonderen Eigenschaften des Wassers Suspension und Emulsion Einphasig: Nur eine Phase (z.B. Flüssigkeit) → Alles ist homogen verteilt (z.B. Salz in Wasser) → Lösungen Zweiphasig: Zwei Phasen (z.B. fest und flüssig) → Sichtbare Trennung der Phasen (z.B. Sand in Wasser) → Suspension: fest & flüssig → Schwebstoffe in Wasser → Emulsion: flüssig & flüssig → z.B. Öl in Wasser 28 Die besonderen Eigenschaften des Wassers Optische Eigenschaften → Transmission → Strahlungsdurchlässigkeit → exponentielle Abnahme mit Zunahme der Wassertiefe → Verringert durch Absorption & Reflexion (Streuung) → Lichtbrechung am Übergang zwischen Luft & Wasser Abhängig von Wellenlänge & Einfallswinkel der Strahlung und Schwebstoffen im Wasser 29