Wasser - ein ungewöhnlicher Stoff

Ungewöhnlich? Es gibt doch nichts Gewöhnlicheres und Langweiligeres als Wasser....oder?

Nun: nein. Weit gefehlt. Wasser ist der Stoff, ohne den Leben überhaupt nicht möglich wäre. Ohne seine ungewöhnlichen Eigenschaften wäre Leben niemals entstanden!

Zur Einstimmung gibt es ein kleines Video zum Thema Wasserkreislauf (für Kinder gemacht, mit UT von uns)


Trinkwasser

Unser Trinkwasser in Deutschland kommt vor allem aus 3 Quellen: 

  1. Grundwasser (Wasser unter dem Boden, gefiltert durch viele Schichten Gestein und Erdreich)
  2. Oberflächenwasser (Seen, Flüsse)
  3. Quellwasser

In Berlin entstammt das Wasser vor allem dem Boden unter unseren Füßen - in sehr guter Qualität und angereichert mit Mineralien. Bei der Aufbereitung werden keine Chemikalien zugesetzt, sondern nur auf natürliche Weise vor allem Eisen und Mangan entfernt.

Die Trinkwasserverordnung ist die strengste gesetzliche Qualitätsrichtlinie, die wir haben. 


Abwasser

Die Abwasseraufbereitung ist bei einer so großen Stadt wie Berlin sehr wichtig, sonst würden wir bald in unserem eigenen Dreck ertrinken. 

Jede Aufarbeitung folgt den 3 Naturwissenschaften Physik-Bio-Chemie - sie arbeiten hier nacheinander alles ab:

  1. Physik: Der erste Aufarbeitungsschritt ist mechanisch. Hier werden feste Bestandteile des Schmutzwassers von der Flüssigkeit getrennt.
  2. Biologie: Die biologische Aufarbeitung erfolgt durch Bakterien und Einzeller, die im Wasser gelöste Bestandteile abbauen. Diese kleinen Helfer schaffen es, 97% allen Drecks da rauszuholen!
  3. Chemie: Die chemische Stufe holt die Stoffe raus, die durch mechanische und biologische Reinigung nicht aus dem Wasser rauskommen. Das sind vor allem Phosphate aus unseren Waschmitteln, Weichspülern, Geschirrspülmitteln, Duschzeugs usw.

Das geklärte und gereinigte Wasser darf nun in ein natürliches, fließendes Gewässer geleitet werden. 


Wasser als Stoff

Warum Wasser für uns so wichtig ist, siehst Du zum Beispiel in diesem Video (mit DGS)

 

Wasser ist ein ziemlich ungewöhnlicher Stoff. Glaubst Du nicht? Stimmt aber.

Zum Beispiel ziehen sich fast alle Stoffe zusammen, wenn sie abkühlen. Wasser dehnt sich aber aus. Warum?

Das liegt am Bau des Wassermoleküls. Und das sehen wir uns nun genauer an.

Wasser ist eine Verbindung aus einem Atom Sauerstoff (O) und 2 Atomen Wasserstoff (H), die Elektronen austauschen.

Was man hier im Bild sieht, nennt man das Kalottenmodell. Andere Darstellungen siehst Du hier:

Am meisten verwendet wird die ganz rechts oder das Kalottenmodell. Die Darstellung ist schlussendlich egal. Man sieht überall: Hier sind ein Sauerstoff- und zwei Wasserstoffatome verbunden und sie liegen nicht in einer geraden Linie, sondern gewinkelt.

Nun hat Sauerstoff eine ziemlich hohe Elektronegativität und zieht an seinen eigenen und - wie frech - an den Elektronen des Wasserstoffs. Und zwar zieht Sauerstoff daran stärker als der Wasserstoffkern. Das Elektron des Wasserstoffatoms wird vom Sauerstoff stärker angezogen und wechselt in den Elektronenbahnbereich des Sauerstoffs. Hier bildet sich nun durch die beiden Elektronen der Wasserstoffatome mit ihren negativen Ladungen ein Ladungsungleichgewicht im Gesamtmolekül:

  1. auf der Sauerstoffseite sind mehr Elektronen, dort ist es negativer
  2. auf der Wasserstoffseite fehlen die Elektronen - hier bleiben die positiven Protonen, also ist es hier positiver.

Es bilden sich zwei unterschiedlich geladene Pole aus: ein Pluspol und ein Minuspol, wie in einer Batterie. Da es zwei Pole sind, ist das Wassermolekül ein Dipolmolekül.

Das hat viele Auswirkungen, denn Plus und Minus ziehen sich an und Plus-Plus oder Minus-Minus stoßen sich ab - wie bei Magneten.

Anomalien des Wassers

Sein Bau und diese Dipol-Sache sorgen dafür, dass sich die Wassermoleküle bei Abkühlung unter 0°C (wenn sie also nicht mehr so herumzappeln) in einer ganz bestimmten Art zueinander verteilen.

Es wird ein regelmäßiges Sechseck, ein Hexagon, ausgebildet mit großen Hohlräumen. Dadurch dehnt sich Wasser beim Einfrieren aus.

Flüssiges Wasser hat seine höchste Dichte also nicht im festen Zustand, sondern bei 4°C, wenn es noch flüssig ist.

So sehen die Aggregatzustände von Wasser in einem kalten See im Winter aus. Oben schwimmt das Eis, es hat die geringste Dichte. Ganz dichtes Wasser sinkt stets nach unten. Unten in Seen und Meeren hat Wasser also immer 4°C - und ist flüssig. Sonst hätte sich Leben niemals entwickeln können. Wenn im Winter der See zufriert, passiert das immer von oben. Unten ist das Wasser noch flüssig und die Fische können schwimmen. Mittendrin hat das Wasser Temperaturen größer als 4°C, im Bild als "warmes Wasser" gezeigt. Doch warum sind hier die Moleküle weiter entfernt? Nun, das liegt an der Zappelei der Wassermoleküle, der Brownschen Molekularbewegung. Wer mehr zappelt, braucht mehr Platz. Sie schubsen sich dadurch weg, ziehen sich aber durch ihren Dipol-Charakter gleichzeitig an. Es stellt sich eine Art Gleichgewicht ein: Haben sie mehr Energie, ist die Brownsche Molekularbewegung größer und sie entfernen sich mehr voneinander. Ist die Energie geringer, überwiegt die Stärke der Wasserstoffbrücken und sie ziehen sich an und rutschen zueinander.

Was Wasserstoffbrücken sind? So nennt man die Anziehungskräfte zwischen dem Pluspol des einen Wassermoleküls und dem Minuspol des benachbarten Moleküls.

Wasserstoffbrücken bei Wasser; Quelle: https://chemiezauber.de/inhalt/basic-1/wasser-2/wasserstoffbr%C3%BCcken.html
Wasserstoffbrücken bei Wasser; Quelle: https://chemiezauber.de/inhalt/basic-1/wasser-2/wasserstoffbr%C3%BCcken.html

Es gibt also zwei gegeneinander wirkende Kräfte zwischen den Wassermolekülen:

die Brownsche Molekularbewegung (Bewegung der Teilchen abhängig von der Temperatur) und die Wasserstoffbrücken (Anziehung zwischen den gegensätzlich geladenen Teilen der Wassermoleküle). 

Die Kraft der Wasserstoffbrücken ist quasi immer gleich. Aber die Brownsche Molekularbewegung ändert sich mit der Temperatur: je wärmer es wird, desto stärker bewegen sich die Teilchen. Auch Wassermoleküle tun das. 

Ein Beispiel soll Dir das und die Auswirkungen besser erklären:

Du nimmst die Hände von anderen Menschen und die halten wiederum andere Menschen fest (das Festhalten kann als Wasserstoffbrücken durchgehen) und ihr bewegt euch zu langsamer Musik (die Schnelligkeit der Musik ist in diesem Beispiel die Höhe der Temperatur).

Ihr haltet aneinander fest ohne Probleme, weil jeder einen ausreichenden Raum für langsame Bewegungen hat. 

Übersetzt heißt das: Die Brownsche Molekularbewegung ist gering und erlaubt der Wasserstoffbrücke, die Teilchen nicht zu weit voneinander zu entfernen. Unser Wasser hat hier eine Temperatur von - sagen wir - 10°C.

Jetzt dreht der DJ auf. Die Musik wird immer schneller und die Bewegungen der einzelnen Menschen folgen dem Takt und werden auch schneller. Bei 80er Jahre Diskomusik werden sich schon die einen oder anderen Hände voneinander lösen, aber man hat immer noch die Chance, eine Hand zu erwischen und kurz festzuhalten. Jetzt ist das Wasser also heiß, hat aber noch keine 100°C erreicht - es kocht noch nicht. Es hat vielleicht 50°C. Der DJ dreht noch weiter auf und es wird schneller. Die Chance, die Hand eines anderen Menschen zu erwischen, wird geringer - weil Du Dich schnell bewegst und die anderen auch. Jetzt sind wir bereits bei 90°C. Außerdem braucht man für schnellere Tanzbewegungen auch mehr Raum. Die ganze Menschenmenge dehnt sich aus und die am Rand Tanzenden werden schon von der Tanzfläche geschubst - sie gehen über in den gasförmigen Zustand: weit entfernt von den anderen und ohne Chance, eine Hand zu erwischen.

Jetzt spielt der DJ Pogo und alle springen wie die Wilden durcheinander. Wie gut, meinst Du, kann man jetzt noch eine Hand erwischen? Das ist so gut wie unmöglich. Die Menschen tanzen allein, mit starken Bewegungen und viel Platzbedarf und deshalb weit voneinander entfernt. Das heißt übersetzt: Wasser ist nicht mehr flüssig, sondern gasförmig. Es ist Wasserdampf.

Überleg mal, was passiert, wenn man Wasser abkühlt? Warum bilden sich jetzt feste Strukturen? Nimm dir das Bild von der tanzenden Menschenmenge vor. Die Menschen bewegen sich noch langsamer als am Anfang und rücken näher zusammen! Da es Plus- und Minuspole im Wassermolekül gibt und die Wassermoleküle eine bestimmte Form haben (gewinkelt), kommt beim Näherrücken zwangsläufig eine bestimmte Form heraus: das Sechseck. Das würde auch passieren, wenn jeder der tanzenden Menschen mit den Armen einen Winkel von 104,5° bildet und man sich vorstellt, dass der Rücken negativ und die Hände positiv geladen sind. Dann müssen auch die tanzenden Menschen eine bestimmte Ausrichtung einnehmen - immer Hand und Rücken zusammen. Würde man von oben gucken, würde man so tatsächlich lauter Sechsecke sehen - wie beim Wasser, wenn es zu Eis gefriert. Und in der Mitte bildet sich ein Hohlraum. Die gesamte Menschenmenge dehnt sich aus.


Rätsel zum Thema - Teste Dich!

Quiz zum Wasser 1 mit Fragen, die in der mündlichen Prüfung schon gestellt wurden.

Quiz zum Wasser 2 mit Fragen, die in der mündlichen Prüfung schon gestellt wurden.

Download
Kreuzworträtsel zum Ausdrucken und lösen. Viel Spaß!
Trinkwasser_Abwasser_Kreuzworträtsel.jpg
JPG Bild 109.8 KB

Kommentar schreiben

Kommentare: 0