Home About us Products Services Contact us Bookmark
:: wikimiki.org ::
Dichteanomalie

Dichteanomalie

Die Dichte von Stoffen nimmt im Allgemeinen mit abnehmender Temperatur zu bzw. mit zunehmender Temperatur ab. So dehnt sich beispielsweise Eisen bei Erwärmung aus und schrumpft bei Abkühlung wieder. Als eine Ausnahme hiervon ist Wasser zu nennen: Die größte Dichte erreicht Wasser unter Normaldruck bei 3,98 °C. Wird es wärmer oder kälter, so dehnt es sich wieder aus. Genaueres hierzu unter Wasser (Eigenschaften). Stoffe können 4 Aggregatzustände erreichen:
- Gasförmig
- Flüssig
- Fest
- Plasma Wasser kann die ersten drei Aggregatzustände annehmen: gasförmig als Dampf, flüssig als Wasser und fest als Eis. Dichteanomalien können auch bei folgenden Stoffen beobachtet werden:
- Antimon
- Bismut
- Gallium
- Germanium
- Plutonium
- Silizium
- Zirkoniumwolframat Es ist möglich, daß diese Liste nicht komplett ist, bitte ggf. ergänzen Kategorie:Thermodynamik

Dichte

Die Dichte, Formelzeichen: ρ (griechisch: rho), ist eine physikalische Eigenschaft eines Materials. Sie ist über das Verhältnis der Masse m eines Körpers zu seinem Volumen V definiert: :\rho = \frac in Worten: : = \frac Der Kehrwert der Dichte wirdspezifisches Volumen genannt und spielt vor allem in der Thermodynamik der Gase und Dämpfe eine Rolle. Die Dichte sollte nicht mit dem spezifischen Gewicht verwechselt werden, denn diese ist zwar sehr ähnlich zur Dichte, unterscheidet sich aber in einem Punkt: Während bei der Dichte das Volumen im Verhältnis zur Masse steht, geschieht dies beim spezifischen Gewicht mit dem Volumen und der Gewichtskraft. Das Verhältnis der Dichte eines Stoffes zur Dichte im Normzustand wird als Relative Dichte bezeichnet. Bei porösen Stoffen wird zudem zwischen der Rohdichte (Hohlräume inklusive) und der Reindichte (Volumen ohne Hohlräume) unterschieden.

Einheit

Die abgeleitete SI-Einheit der Dichte ist Kilogramm pro Kubikmeter (kg/m3). Weit verbreitet und besonders bei Feststoffen gebräuchlich ist zudem die Angabe in g/cm3. Weitere in Spezialfällen genutzte Einheiten sind Gramm pro Liter (g/l) und Gramm pro Kubikdezimeter (g/dm3). Hierbei gilt: 1.000 kg/m3 = 1 kg/dm3 = 1 kg/l oder 1 g/cm3 = 1 g/ml. Alle diese Größen stellen die Bezugsdichte von Wasser dar. Wasser hat als Bezugspunkt bei einer Temperatur von 3,98 °C seine größte Dichte (Dichteanomalie) mit 1.000 kg/m3, was einem g/cm3 entspricht. Ein Liter ist definiert als das Volumen, das genau ein Kilogramm Wasser bei seiner höchsten Dichte (bei 3,98 °C ≈ 4 °C) bei Normaldruck einnimmt. Die Abweichung von 1 dm³ ist so gering, dass man im Normalfall 1 l und 1 dm3 als gleich ansehen kann. Für Feststoffe wird die Dichte üblicherweise in g/cm³ bei 20 °C angegeben und für gasförmige Stoffe in g/l bei 0 °C und einem Luftdruck von 1.013,25 hPa = 101.325 Pa (Normalbedingungen).

Beispiel

Die Dichte von Kupfer bestimmt man experimentell wie folgt: Die Stoffprobe wiegt z.B. 35 g. Nun füllt man ein Reagenzglas teilweise mit Wasser; nehmen wir beispielsweise 16 ml. Jetzt lässt man den Stoff eintauchen und liest den Füllstand 17,7 ml des Wasserspiegels ab. Die Differenz der beiden Füllmengen beträgt 1,7 ml. Also kann für die Dichte von Kupfer die Näherung :\rho \approx \approx 20,6 \;\mathrm/\mathrm^3 ermittelt werden.

Eigenschaften

Die Dichte von Flüssigkeiten hängt deutlich von der Temperatur ab, bei Gasen zusätzlich vom Druck. Ein Beispiel hierfür ist die Temperaturabhängigkeit der Luftdichte im unteren Abschnitt. Die Dichte von hygroskopischen Stoffen wie zum Beispiel Holz ist zudem von der Luftfeuchte (Wirkung auf Holzfeuchte) abhängig. Um deren Messergebnisse vergleichen zu können, bezieht man sich auf ein sogenanntes Normalklima. Körper in einer Flüssigkeit, die eine geringere Dichte als diese haben, steigen entsprechend dem archimedischen Prinzip nach oben (Auftrieb), bis sie irgendwann einen Gleichgewichtszustand erreichen (schwimmen). Körper mit größerer Dichte sinken entsprechend nach unten bzw. haben einen höheren Tiefgang als Körper mit geringeren Dichten. Insbesondere kann daher das weniger dichte Eis auf dem Wasser schwimmen und verdrängt dabei genau das Volumen an Wasser, das die gleiche Masse wie das Eis hat. In Gasen gilt entsprechendes. Ein mit Helium gefülltes Luftschiff schwebt in der Luft, da das Helium bei gleichem Druck und gleicher Temperatur eine geringere Dichte als Luft hat. Die dichteste auf der Erde natürlich vorkommende Substanz ist Iridium mit etwa 22.650 kg/m3. Neutronensterne dagegen können eine Dichte von etwa 1014 kg/m3 haben.

Tabellenwerte

Tabellenwerte zur Dichte verschiedene Stoffe sind in folgenden Artikeln zu finden:
- Liste der Dichte fester Stoffe
- Liste der Dichte von Flüssigkeiten
- Liste der Dichte gasförmiger Stoffe

Temperaturabhängigkeit der Luftdichte

Die Wirkung der Temperatur auf die Luftdichte, die Schallgeschwindigkeit und die Schallkennimpedanz ist in folgender Tabelle dargestellt. Der Luftdruck hat auf die Schallgeschwindigkeit keinen Einfluss, auch wenn diese Fehlangabe in vielen Büchern zu finden ist. Größen:
- \vartheta (theta) = Temperatur in °C
- ρ (rho) = Luftdichte oder Dichte der Luft in kg/m3
- c = Schallgeschwindigkeit in m/s
- Z = Schallkennimpedanz in N·s/m3

Messmethoden

Von einem Körper mit exakt bekannter Geometrie kann die Dichte mittels Masse und berechnetem Volumen bestimmt werden. Nach dem Prinzip von Archimedes erfährt ein Körper in der Umgebung einer Flüssigkeit genau so viel Auftriebskraft, wie die von seinem Volumen verdrängte Flüssigkeit an Gewichtskraft ausüben würde. Alle direkten Dichtemessverfahren beruhen noch heute auf diesem Prinzip und können auch auf die Dichtebestimmung von Gasen übertragen werden. Bei bekannter Dichte der Flüssigkeit, lässt sich auch das Volumen des eingetauchten Festkörpers bestimmen und schließlich auch dessen Dichte bestimmen. Beispiel für die Bestimmung der Dichte eines Festkörpers: Das Gewicht des Festkörpers wird an Luft gemessen. Eigentlich müsste man die Messung im Vakuum durchführen, da der Festkörper auch in Luft einen gewissen Auftrieb erfährt. Man erhält m_. Anschließend wird der Festkörper in Wasser eingetaucht und gewogen. Er scheint leichter zu sein als an der Luft. Man erhält m_. Nach dem Prinzip von Archimedes ist die Masse des verdrängten Wassers m_ = m_ - m_. Das Volumen des verdrängten Wassers V_ ist gleich dem Volumen des Festkörpers V_. Es ist bekannt, dass \rho_ für die Dichte des Wassers gilt. Durch Einsetzen und Umformen erhält man folglich: \frac= V_. Im letzten Schritt erhält man somit für die Dichte des Festkörpers: \rho_=\frac Dichten von Flüssigkeiten werden mit einem Aräometer gemessen. Dichten von Festkörpern werden z. B. mit einem Pyknometer gemessen oder über indirekte Bestimmungsverfahren, wie der Isotopenmethode ermittelt. Der Biegeschwinger ermöglicht es mit Hilfe eines mit Messflüssigkeit gefüllten U-Rohres, die Dichte von flüssigen Reinstoffen und binären Mischungen exakt zu ermitteln. Die Dichte von Holz kann man mit einem Resistographen bestimmen.

Beispiele

Wasser Wasser hat eine sehr seltene Eigenschaft, indem es bei 3,98 °C die größte Dichte besitzt (Anomalie des Wassers). Es dehnt sich beim weiteren Abkühlen aus, die abnehmende Dichte bewirkt eine Volumenausdehnung. Hierdurch treten Frostschäden beispielsweise bedingt durch die Frostverwitterung auf. Bei zugefrorenen Seen befindet sich so auch das 3,98 °C warme Wasser am Seeboden, während kälteres Wasser mit geringerer Dichte nach oben steigt. Dies verhindert das Zufrieren von Gewässern bis auf den Grund und ermöglicht es erst den Lebewesen in Seen und Meeren zu überleben. Atmosphäre In der Atmosphäre steigen erwärmte und damit weniger dichte Luftschichten vom Boden auf (Konvektion). Sie kühlen dabei jedoch ab, wobei Wasserdampf kondensieren kann und sich daraufhin Wolken ausbilden. Entsprechend sinken kühlere Luftschichten wieder ab.

Abgeleitete Bezeichnungen

In Analogie werden auch andere Größen pro Raumeinheit als Dichten bezeichnet, zum Beispiel die Teilchendichte, die Ladungsdichte oder die Wahrscheinlichkeitsdichte. Teilweise wird der Begriff Dichte auch für Größen pro Flächeneinheit verwendet (Stromdichte, Strahlungsstromdichte, elektrische und magnetische Flussdichte). Eine spezifische Dichte ist API-Grade für Rohöl. Weitere Analogien (neben den schon genannten):
- Darrdichte
- Fülldichte
- Klopfdichte
- Längendichte
- Pressdichte
- Relative Dichte
- Schüttdichte
- Sinterdichte
- Stopfdichte

Weblinks


- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-dichteeinheiten.htm Umrechnung von allen Dichte-Einheiten]
- [http://www.engnetglobal.com/tips/convert.asp?catid=9 Umrechnung von Dichte-Einheiten - auch amerikanische und englische Größen]
- [http://www.mineralienatlas.de/lexikon/index.php/Dichte Mineralienatlas - Dichte]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph08/m11_dichte.htm Versuche und Aufgaben zur Dichte] Kategorie:Werkstoffeigenschaft Kategorie:Physikalische Größe Kategorie:Mineralogie ms:Ketumpatan ja:密度

Eisen

Eisen ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit Symbol Fe (lat. ferrum, Eisen) und Ordnungszahl 26. Es ist ein Metall der 4. Periode in der 8. Gruppe im Periodensystem. Der Name Eisen ist entweder auf das urkeltische Wort isorai oder auf das indogermanische Wort eison (glänzend) zurückzuführen.

Eigenschaften

Metall Das durchschnittliche Eisen-Atom hat etwa die 56-fache Masse eines Wasserstoff-Atoms. Der Atomkern des Eisenisotops 56Fe weist einen der größten Massendefekte und damit eine der höchsten Bindungsenergien pro Nukleon aller Atomkerne auf. Bei Raumtemperatur ist die allotrope Modifikation des reinen Eisens das Ferrit oder α-Eisen. Diese Modifikation weist ein kubisch raumzentriertes Kristallgitter auf, das unterhalb 911 °C vorliegt. Unterhalb des Curiepunkts bei 760 °C ist das Ferrit ferromagnetisch. Die Modifikation zwischen 760 °C und 911 °C heißt β-Eisen. Da sie sich außer in den magnetischen Eigenschaften nicht vom Ferrit α-Eisen unterscheidet, wird sie gewöhnlich auch als α-Eisen bezeichnet. Bis 1392 °C liegt es in der kubisch flächenzentrierten γ-Modifikation oder Austenit vor. Bei weiter steigender Temperatur wandelt das Eisen in δ-Ferrit um, das wieder ein kubisch raumzentriertes Gitter aufweist. Der Schmelzpunkt liegt bei 1539 °C. Diese Eigenschaft der Umwandlung des Gitters von kubisch-raumzentriert (bis 911 °C) über kubisch-flächenzentriert (bis 1392 °C) zu kubisch-raumzentriert (bis 1539 °C) sowie des anschließenden Zerfalls der Gitterstrukturen nennt man auch die „Polymorphie des Eisens“. Eisen ist beständig an trockener Luft, in trockenem Chlor sowie in konzentrierter Schwefelsäure, konzentrierter Salpetersäure und basischen Agenzien (außer heißer Natronlauge) mit einem pH-Wert größer als 9.

Eisen als Mineral

Sehr selten kann Eisen auch gediegen auftreten. Das Mineral kristallisiert dann im kubischen Kristallsystem, hat eine Härte von 4,5 und eine stahlgraue bis schwarze Farbe. Auch die Strichfarbe ist grau. Wegen der Reaktion mit Wasser und Sauerstoff ist gediegenes Eisen nicht stabil. Es tritt daher in Legierung mit Nickel nur in Eisenmeteoriten auf, sowie in Basalten, in denen es manchmal zu einer Reduktion von eisenhaltigen Mineralen kommt. Letztere findet man dagegen vergleichsweise häufig, wichtige Beispiele sind Magneteisenstein (Fe3O4), Roteisenstein (Fe2O3), Brauneisenstein (Fe2O3·n H2O), Siderit (FeCO3), Magnetkies (FeS) und Pyrit (FeS2).

Isotope

Eisen hat vier natürlich vorkommende, stabile Isotope, mit den relativen Häufigkeiten: 54Fe (5,8 %), 56Fe (91,7 %), 57Fe (2,2 %) und 58Fe (0,3 %). Das Isotop 60Fe hat eine Halbwertszeit von 1,5 Millionen Jahren. Die Existenz von 60Fe zu Beginn der Entstehung des Planetensystems konnte durch den Nachweis einer Korrelation zwischen den Häufigkeiten von 60Ni, dem Zerfallsprodukt von 60Fe, und den Häufigkeiten der stabilen Fe-Isotope in einigen Phasen mancher Meteoriten (beispielsweise in den Meteoriten Semarkona und Chervony Kut) nachgewiesen werden. Möglicherweise spielte die freigesetzte Energie beim radioaktiven Zerfall von 60Fe, neben der atomaren Zerfallsenergie des ebenfalls vorhandenen radioaktiven 26Al, eine Rolle beim Aufschmelzen und der Differenzierung der Asteroiden direkt nach ihrer Bildung vor etwa 4,6 Milliarden Jahren. Heute ist alles damals ursprünglich vorhanden gewesene 60Fe vollständig in 60Ni zerfallen. Die Verteilung von Nickel- und Eisenisotopen in Meteoriten erlaubt es, die Isotopen- und Elementehäufigkeit bei der Bildung des Sonnensystems zu messen und die vor und während der Bildung des Sonnensystems vorherrschenden Bedingungen zu erschließen. Nur das Eisenisotop 57Fe besitzt einen Kernspin und findet darum Anwendung in der Chemie und Biochemie.

Verbindungen

Oxidationsstufen


- Fe2+, diese Salze sind zumeist blassgrün,
- Fe3+, diese Salze sind zumeist intensiv orange. Ihre Farbigkeit in wässriger Lösung ist durch die Bildung von Aqua-Komplexen (Komplexchemie) zu erklären [Fe(H2O)6]3+, die je nach pH-Wert Wasser-Liganden gegen OH--Liganden austauschen. Durch die Wasserliganden erhält man eine Ligandenfeldaufspaltung, mit den Hydroxidionen einen Chargetransfer (Charge-Transfer-Komplexe).
- Fe4+, kommt in den Katalysezyklen einiger Enzyme vor (zum Beispiel als Cytochrom P450, Peroxidasen),
- Fe6+, ist selten (beispielsweise K2FeO4).

Oxide

Eisen bildet zweiwertige und dreiwertige Oxide. Eisen(III)oxid Eisen(III)oxid (Fe2O3) ist eine braune Substanz und das Endprodukt des Verrostens. Es entsteht durch langsame Oxidation von Eisen in Gegenwart von Wasser. Eisen(II)oxid Eisen(II)oxid (FeO) entsteht beim direkten Verbrennen von Eisen, z. B. mit dem Schneidbrenner. Es ist schwarz und bei Umgebungstemperatur nicht stabil. Eisen(II,III)oxid Eisen(II,III)oxid (Fe3O4) entsteht durch Umwandlung von FeO . Da diese Oxide keine feste Schutzschicht bilden, oxidiert ein der Atmosphäre ausgesetzter Eisenkörper vollständig. Wenn er vor dem endgültigen Verrosten eingesammelt und dem Recycling zugeführt wird, ist das verrostete Eisen (Stahl) bei der Stahlproduktion im Elektro-Schmelzofen ein begehrter und wertvoller Sauerstoffträger, ohne den die Stahlindustrie nicht auskommen könnte. Dieser Sauerstoff im Eisenschrott wirkt beim „Stahlkochen“ als Oxidationsmittel, um ungewünschte qualitätsmindernde Beimengungen (z. B. Leichtmetalle) zu oxydieren (verbrennen). Einzelne Eisenverbindungen:
- Fe3C, Eisencarbid,
- Fe(CO)5, Eisencarbonyl, Eisenpentacarbonyl, IPC (I für iron), entsteht unter Druck aus Eisen und Kohlenmonoxid und bildet nach seiner Zersetzung neben Kohlenmonoxid ein besonders reines Eisenpulver, das Carbonyleisen. Eine weitere Variante von Eisencarbonyl ist Fe2(CO)9.
- Fe(SCN)3, Eisen(III)-thiocyanat, Eisenrhodanid, hat eine sehr ergiebige blutrote Färbung, dient zum Nachweis von Fe3+-Ionen.

Geschichte

Naher Osten

Der älteste menschliche Gebrauch von Eisen stammt aus Sumer und Ägypten, etwa 4000 v. Chr. Es handelte sich um gediegenes Eisen von Meteoriten, und wurde zur Dekoration oder als Speerspitze benutzt. Es wurde nicht durch Schmelzen oder Schmieden, sondern durch Methoden der Steinbearbeitung (Steinzeit) bearbeitet. Zwischen 3000 und 2000 v. Chr. findet man verhüttetes Eisen (vom Meteoriteisen durch die Abwesenheit von Nickel unterscheidbar) in Mesopotamien, Anatolien und Ägypten. Es scheint nur zeremoniell genutzt worden zu sein und war wertvoller als Gold. Möglicherweise entstand es in Form von Schwammeisen als Nebenprodukt der Bronzeherstellung. Zwischen 1600 und 1200 v. Chr. wurde Eisen verstärkt genutzt; es löste Bronze allerdings noch nicht ab. Ab 1200 v. Chr. fand im Nahen Osten der Übergang von der Bronzezeit zur Eisenzeit statt. Es wird vermutet, dass nicht die Materialüberlegenheit des Eisens, sondern ein Mangel an Zinn (zur Bronzeherstellung notwendig) den Übergang auslöste. Beim ersten eisenzeitlichen Verhüttungsschritt entstand Schwammeisen. Durch den Gebrauch von Holzkohle bei der Weiterverarbeitung wurde dem Eisen Kohlenstoff zugeführt, mit dem Endresultat eines (zumindest oberflächlichen) Stahls. Durch Härten (das heißt abruptes Abkühlen, im Allgemeinen in einer Flüssigkeit wie Wasser oder Öl) entstanden Werkstücke mit einer bis dahin nicht gekannten Elastizität und Härte, die der Bronze weit überlegen war.

China

Auch in China wurden die ersten Erfahrungen mit Eisen an Meteoriteneisen gewonnen. Erste archäologische Spuren von Schmiedeeisen finden sich im Nordwesten, nahe Xinjiang, aus dem 8. vorchristlichen Jahrhundert. Man vermutet, dass diese Produkte, die mit den Methoden des Nahen Ostens erstellt wurden, durch Handel nach China gelangt sind. Etwa 550 v. Chr., in der späteren Zhou-Dynastie (1122 bis 256 v. Chr.), fand mit der Entwicklung des Hochofens ein entscheidender technischer Durchbruch statt: die Produktion von Gusseisen wurde möglich.

Europa

Neben seiner herausragenden Bedeutung als Werkstoff wurde Eisen in der Alchemie verwendet, wo es mit dem Zeichen für Mars/Männlichkeit ♂ assoziiert wurde. Da europäische Verarbeitungstechniken nur Temperaturen von knapp 1.300 °C erreichten, fand die Entwicklung von Gusseisen erst im 15. Jahrhundert in Schweden (Lapphyttan und Vinarhyttan) statt. Mit der gegossenen Kanonenkugel verbreitete sich die Gusseisenverarbeitung schnell wie die Feldzüge über ganz Europa. Als die schwindenden Wälder den wachsenden Holzkohlebedarf zur Eisengewinnung in Großbritannien nicht mehr decken konnten, wurde Kohle (genauer das Kohleprodukt Koks) von Abraham Darby als Alternative entwickelt. Diese Umstellung, zusammen mit der Erfindung der Dampfmaschine, gilt als Beginn der industriellen Revolution.

Vorkommen

Eisen ist zusammen mit Nickel vermutlich der Hauptbestandteil des Erdkerns. Angetrieben von thermischen Kräften, erzeugen Konvektionsströmungen von flüssigem Eisen im äußeren Kern das Erdmagnetfeld. Mit einem Anteil von fünf Prozent ist Eisen aber auch eines der häufigsten Elemente der Erdkruste. Die ersten Vorkommen, die abgebaut wurden, waren Raseneisenerz und offenliegende Erze. Heute wird vor allem 40-prozentiges Magneteisenerz abgebaut. Das wichtigste Mineral zur Eisengewinnung ist Hämatit, welches größtenteils aus Fe2O3 besteht. Eisen ist das zehnthäufigste Element im Universum. Die Fusion von Elementen in Sternen endet beim Eisen, da bei der Fusion von höheren Elementen keine Energie mehr frei wird, sondern Energie verbraucht wird. Schwerere Elemente entstehen bei Supernovaexplosionen, die auch für das Verstreuen der im Stern entstandenen Materie verantwortlich sind.

Gewinnung und Darstellung

Eisenerz wird im Tagebau und Tiefbau (Untertagebau) gewonnen. Dort, wo die als abbauwürdig erkannten Eisenerzlagerstätten offen zutage treten, kann das Erz im weniger aufwändigen Tagebau gewonnen werden. Heute wird Eisenerz hauptsächlich in Südamerika, bes. Brasilien, im Westen Australiens, in der Volksrepublik China, in Ost-Europa (beispielsweise Ukraine)(Krivoi Rog, ist der Name des Erzes) und Kanada auf diese Weise abgebaut. Diese Länder verdrängten in den letzten Jahren die ursprünglich bedeutendsten Eisenerz-Förderländer wie Frankreich, Schweden oder auch Deutschland selbst, dessen letzte Eisenerzgrube in der Oberpfalz 1987 geschlossen wurde. Deutschland Allerdings stellt der relativ leichte Abbau auch ein großes Problem dar: Der Export von Rohstoffen ist nach wie vor die Haupteinnahmequelle vieler ärmerer Staaten. Entsprechend hemmungslos stürzen sich viele der hochverschuldeten Entwicklungsländer auf diese Ressourcen, meist auf Kosten von Mensch und Umwelt. Riesige Erz-Abbaugebiete wie die Ok Tedi-Mine in Papua-Neuguinea zerstören nicht nur den Regenwald auf ihrem eigentlichen Gebiet, sondern in weitem Umkreis die ganze Landschaft. Denn hochgiftige Abwässer und Schlämme kippen die Minenbetreiber einfach in die Gegend, von wo sich das Gift durch die Flüsse verteilt – so dass stromabwärts am Ok Tedi der für die Bevölkerung traditionelle Fischverzehr zur Gesundheitsgefahr wurde. Nur selten gelangt das Eisenerz vom Bergwerk kommend, unmittelbar zu den Lagerplätzen der Hütten. Meist müssen erst weite Transportwege auf dem Landweg und auf dem Seeweg, mit mehrfachem Umladen, zurückgelegt werden. Vor der weiteren Verarbeitung wird das Erz schließlich zerkleinert und gemahlen. Danach werden die Erzkörner nach ihrer Größe sortiert und gesintert. Das heißt, es werden kleine Erzkörner gemeinsam mit Kalkzuschlagsstoffen auf mit Gas unterfeuerten motorisch angetriebenen Wanderrosten (Rost-Förderband) aufgelegt und durch starke Erhitzung „zusammengebacken“, denn nur in dieser Form als gesinterte grobe Brocken ist der Einsatz im Hochofen möglich, da das feine Erz die Luftzufuhr (Wind) sehr beeinträchtigen, bzw. verhindern würde.

Hochofenprozess

Das Eisen wird durch chemische Reduktion mit Kohlenstoff im Hochofen gewonnen; dabei treten Temperaturen von etwa 2.000 °C auf. Zuerst wird Koks dem Hochofen zugegeben, wo es mit dem in der Einblasluft (Wind) vorhandenen Sauerstoff zu Kohlenmonoxid reagiert: Das Kohlenmonoxid reagiert mit dem Eisenoxid: Aufgrund der hohen Reaktionstemperatur und der Schmelzpunktsenkung durch die Aufnahme von Kohlenstoff ist das entstehende Eisen flüssig. Allerdings enthält es noch Verunreinigungen in Form von Siliziumdioxid. Durch Zugabe von Kalkstein wird das Siliziumdioxid als Schlacke abgesondert. Ein erster Reaktionsschritt wandelt den Kalk in Kalziummonoxid um: Daraufhin reagiert das Kalziummonoxid mit dem Siliziumdioxid. Die entstehende Schlacke wird heute im Tiefbau, früher auch als Dünger (Thomasmehl), eingesetzt. Weltweit wurden im Jahre 2000 etwa 1.000 Megatonnen Eisenerz abgebaut, mit einem Wert von etwa 25 Mrd. Euro. Die bedeutendsten Eisenerzlieferanten sind die Volksrepublik China, Brasilien, Australien, Russland und Indien. Zusammen liefern sie etwa 70 % des Weltbedarfs. Aus den 1.000 Mt Erz wurden etwa 572 Mt Eisen gewonnen. Zusätzlich wird aus Schrott noch neues Eisen gewonnen.

Verwendung

Indien Technisch ist Eisen für die Herstellung von Stahl sehr bedeutsam. Stähle sind Legierungen des Eisens, die beim Vermischen (legieren) mit anderen Metallen und auch Nichtmetallen (insbesondere Kohlenstoff) entstehen. Eisen ist mit 95 Prozent Gewichtsanteil an genutzten Metallen, das weltweit meistverwendete. Der Grund dafür liegt in seiner weiten Verfügbarkeit, welches es recht preiswert macht, sowie in der erreichten hervorragenden Festigkeit und Zähigkeit beim Eingehen von Legierungen mit anderen Metallen (z. B. Chrom, Molybdän, Nickel usw., die es für viele Bereiche in der Technik zu einem Spezialwerkstoff macht. Bei der Herstellung von Autos, Schiffen und im Hochhausbau (Stahlbeton) eingesetzt, neuerdings für Karosserieteile in besonders innovativer verschweißter Kombination mit Alublech, entwickelt in Deutschland im Jahr 1996, um Energie beim Betrieb von Autos durch Gewichtsverringerung einzusparen und zugleich den Fahrzeugschwerpunkt tiefer zu legen. Damit wird der bisher klassische Werkstoff für Autos zunehmend unter „Gewichtsdruck“ geraten und vielleicht zukünftig nur mehr in Kombination mit spezifisch leichteren Metallen konkurrenzfähig sein. Eisen ist eines jener drei ferromagnetischen Metalle (Kobalt und Nickel sind die übrigen), die mit ihrer Eigenschaft den großtechnischen Einsatz des Elektromagnetismus in Generatoren, Transformatoren und Elektromotoren ermöglichen. Reines Eisenpulver wird nur in der Chemie verwendet. Industriell sind verschiedene Stähle verbreitet, in Deutschland ca. 7.500 Sorten genormt. Eisen wird in den nachfolgend angeführten Formen genutzt:
- Roheisen enthält vier bis fünf Prozent Kohlenstoff, sowie unterschiedliche Anteile an Schwefel, Phosphor und Silizium. Es ist ein Zwischenprodukt in der Herstellung von Gusseisen und Stahl.
- Gusseisen enthält 2,06–6,67 % Kohlenstoff und weitere Legierungselemente, wie beispielsweise Silizium und Mangan. In Abhängigkeit von der Abkühlgeschwindigkeit liegt der Kohlenstoff im Gusseisen als Karbid oder elementar als Graphit vor. In Anlehnung an das Aussehen der Bruchflächen spricht man im ersteren Fall von weißem und im zweiten Fall von grauem Gusseisen. Gusseisen ist sehr hart und spröde. Es lässt sich gewöhnlich nicht plastisch verformen.
- Stahl enthält zwischen 0,06 % und 2,06 % Kohlenstoff. Im Gegensatz zu Gusseisen ist er plastisch umformbar. Durch Legieren, sowie durch eine geeignete Kombination von thermischer Behandlung und plastischer Formung können die mechanischen Eigenschaften des Stahls in weiten Grenzen variiert werden.
- Bei Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt bis 0,8 % spricht man von Baustahl, bei über 0,8 % von Werkzeugstahl. In der Medizin werden eisenhaltige Präparate als Antianämika eingesetzt, kausal in der Behandlung von Eisenmangelanämien und additiv in der Behandlung von Anämien, hervorgerufen von anderen Ursachen.

Biologische Bedeutung

Eisen ist ein essentielles Spurenelement für fast alle Lebewesen, vor allem für die Blutbildung. Als Zentralatom im Hämoglobin und Myoglobin ist es bei vielen Tieren und beim Menschen für Sauerstofftransport und -speicherung verantwortlich. In diesen Proteinen ist es von einem planaren Porphyrinring umgeben. Weiter ist Eisen Bestandteil von Eisen-Schwefel-Komplexen (Iron-Sulphur-Cluster) in vielen Enzymen, beispielsweise Nitrogenasen und Hydrogenasen. Als dritte wichtige Klasse der Eisenenzyme sind die so genannten Nicht-Häm-Eisenenzyme zu nennen, beispielsweise die Methan-Monooxygenase, Ribonukleotid-Reduktase und das Hämerythrin. Diese Proteine nehmen in verschiedenen Organismen Aufgaben der Sauerstoffaktivierung, Sauerstofftransport, Redoxreaktionen und Hydrolysen wahr. Ebenso wichtig ist dreiwertiges Eisen als Zentralion im Enzym Katalase, das in den Peroxisomen der Zellen das im Stoffwechsel entstehende Zellgift Wasserstoffperoxid abbaut. Infizierende Bakterien nutzen oft Eisen, so dass ein Abwehrmechanismus des Körpers das „Verbergen“ von Eisen ist. Vor allem Frauen leiden häufig an Eisenmangel, der Grund dafür liegt auf der Hand. An jedem Tag der Menstruation verliert der Körper ca. 15 Milligramm, bei der Geburt eines Kindes ca. 1000 Milligramm Eisen. Der Tagesbedarf eines erwachsenen Menschen beträgt etwa 20 Milligramm Eisen, durch die gleichzeitige Einnahme von Vitamin C wird die Resorptionsquote deutlich erhöht. Besonders reichhaltig ist Eisen in Fleisch, Leber, Hülsenfrüchte und Vollkornbrot enthalten.

Sicherheitshinweise

Obwohl Eisen ein wichtiges Spurenelement für den Menschen ist, kann zu viel Eisen im Körper giftig sein. Zu große Mengen an Fe2+-Ionen reagieren mit Peroxiden, wobei freie Radikale entstehen. Im Normalzustand werden letztere durch körpereigene Prozesse kontrolliert. Etwa ein Gramm Eisen verursacht bei einem zweijährigen Kind ernste Vergiftungserscheinungen, drei Gramm können bereits tödlich sein. Lang andauernde Überversorgung mit Eisen führt zur Hämochromatose, einer Eisenspeicherkrankheit. Das Eisen reichert sich in der Leber an und führt dort zu Siderose (Ablagerung von Eisensalzen) und Organschäden. Daher sind Eisenpräparate nur bei Eisenmangel zu empfehlen. Allerdings nimmt der Körper bei Eisenüberversorgung dieses nicht mehr aus der Nahrung auf.

Nachweis

Die Fe2+- beziehungsweise Fe3+-Ionen können als lösliches, beziehungsweise unlösliches Berliner- /Turnbulls Blau mit Hilfe von Kaliumhexacyanoferrat-(II/III) (bei 2+ III benutzen und bei 3+ II benutzen) nachgewiesen werden. Es ist bemerkenswert, dass dieses bekannte Eisennachweisreagenz selbst Eisen enthält, welches durch die Cyanidionen chemisch gut maskiert wird (Innerorbitalkomplex) und somit Grenzen der Analytik aufzeigt. Fe3+ kann auch noch mit der sehr empfindlichen Thiocyanat-Reaktion nachgewiesen werden. Es bildet sich das tiefrote Fe(SCN)3, welches in Lösung bleibt. Allerdings stören einige Begleitionen diesen Nachweis (z. B. Co2+, Mo3+, Hg2+, Überschuss an Mineralsäuren).

Siehe auch


- Liste der größten Roheisenerzeuger
- Eisen-Stoffwechsel – Bedeutung des Eisens im Organismus eines Lebewesens
- Elektrowerk – Herstellung von seltenen Legierungen wie Ferro-Chrom und Ferro-Molybdän
- Rost (Korrosion)
- Atomium – Das Wahrzeichen Brüssels, das einen Ausschnitt aus einem Eisen-Kristallgitter darstellt.
- Gusseisen

Weblinks


- [http://www.die-roemer-online.de/eisenherstellung/eisenherstellung.html die-roemer-online.de] Eisenherstellung in der Römerzeit
- [http://www.landschaftsmuseum.de/Seiten/Lexikon/Eisengewinnung.htm Eisengewinnung in vorgeschichtlicher Zeit] Landschaftsmuseum Obermain Kategorie:Gruppe-8-Element Kategorie:Periode-4-Element Kategorie:Übergangsmetall Kategorie:Mineral Kategorie:Schwermetall Kategorie:Nahrungsergänzung ja:鉄 ko:철 ms:Besi simple:Iron th:เหล็ก

Wasser

Wasser ist eine chemische Verbindung aus den Elementen Sauerstoff und Wasserstoff. Die Bezeichnung Wasser wird besonders für den flüssigen Aggregatzustand verwendet, im festen, also gefrorenen Zustand wird es Eis genannt, im gasförmigen Zustand Wasserdampf oder einfach nur Dampf. Dampf

Etymologie und alternative Bezeichnungen

Das Wort Wasser leitet sich vom althochdeutschen wazzar „das Feuchte, Fließende“ ab. Andere chemische Bezeichnungen für Wasser sind:
- Wasserstoffoxid (auf deutsch die korrekte, weil einfachste Bezeichnung)
- Diwasserstoffmonoxid, Wasserstoffhydroxid, Dihydrogeniumoxid, Hydrogeniumoxid, Hydrogeniumhydroxid oder Dihydrogenmonoxid

Vorkommen

Erde

Große Teile der Erde sind vom Wasser bedeckt, wobei dies besonders auf der Südhalbkugel der Fall ist und sich als Extrem an der Wasserhalbkugel zeigt. Die Versorgung der Weltbevölkerung mit hygienisch und toxikologisch unbedenklichem Trinkwasser, sowie einer ausreichenden Menge Nutzwasser, stellt eine der größten Herausforderungen der Menschheit in den nächsten Jahrzehnten dar. Die Wasservorkommen der Erde belaufen sich auf circa 1 386 Millionen km3, wovon allein 1 338 Millionen km3 (96,5 %) auf das Salzwasser der Weltmeere entfallen. Nur 48 Millionen km3 (3,5 %) des irdischen Wassers liegen als Süßwasser vor. Das mit 24,4 Millionen km3 (1,77 %) meiste Süßwasser ist dabei als Eis an den Polen, Gletschern und Dauerfrostböden gebunden und somit nicht der Nutzung zugänglich. Einen weiteren wichtigen Anteil macht das Grundwasser mit 23,4 Millionen km3 aus. Das Wasser der Fließgewässer und Binnenseen (190 000 km3), der Atmosphäre (13 000 km3), des Bodens (16 500 km3) und der Lebewesen (1 100 km3) ist im Vergleich rein mengenmäßig recht unbedeutend. Dabei ist jedoch nur ein geringer Teil des Süßwassers auch als Trinkwasser verfügbar. Insgesamt liegen 98,233 % des Wassers in flüssiger, 1,766 % in fester und 0,001 % in gasförmiger Form vor. In seinen unterschiedlichen Formen weist das Wasser dabei spezifische Verweilzeiten auf und zirkuliert fortwährend im globalen Wasserkreislauf. Diese Anteile sind jedoch nur näherungsweise bestimmbar und wandelten sich auch stark im Laufe der Klimageschichte, wobei im Zuge der globalen Erwärmung von einem Anstieg des Wasserdampfanteils ausgegangen wird.

Sonnensystem

Auch außerhalb der Erde kommt zwar Wasser vor, aber nur in sehr geringen Mengen und dann als Eis oder Wasserdampf. Als Eis wurde Wasser in Kometen („schmutzige Schneebälle“), auf dem Mars und auf einigen Monden der äußeren Planeten nachgewiesen. Viele Hinweise deuten darauf hin, dass der Mars in der Frühzeit seiner Entwicklung offene Wasserflächen enthielt. Zu den Monden zählen die Jupitermonde Europa, Ganymed und Kallisto, der Neptunmond Triton, sowie Charon, der einzige bekannte Mond Plutos. Hinweise auf das Vorhandensein von Eis in Meteoritenkratern in Polnähe gibt es sogar bei Merkur, dem sonnennächsten Planeten. Es ist möglich, dass auf dem Erdenmond in den Polregionen am Grund tiefer Krater Eisvorkommen als Relikte von Kometeneinschlägen überlebt haben. Solche Vorkommen wären wichtige Wasser- und Sauerstoffquellen für künftige Mondbasen, sind jedoch bis auf weiteres spekulativ.

Herkunft

Hauptartikel: Herkunft des irdischen Wassers Die Herkunft des Wassers auf der Erde, insbesondere die Frage, warum auf der Erde deutlich mehr Wasser vorkommt als auf den anderen erdähnlichen Planeten, ist bis heute nicht befriedigend geklärt. Ein Teil des Wassers dürfte durch das Ausgasen der Magma entstanden sein, also letztlich aus dem Erdinneren stammen. Ob dadurch aber die Menge an Wasser erklärt werden kann, ist fragwürdig. Weitere große Anteile könnten aber auch durch Einschläge von Kometen, transneptunischen Objekten oder wasserreichen Asteroiden (Protoplaneten) aus den äußeren Bereichen des Asteroidengürtels auf die Erde gekommen sein. Messungen des Isotopenverhältnisses von Deuterium zu Protium (D/H-Verhältnis) deuten dabei eher auf Asteroiden hin, da in Wassereinschlüssen in kohligen Chondriten ähnliche Verhältnisse gefunden wurden wie in ozeanischem Wasser, wohingegen bisherige Messungen dieses Isotopenverhältnisses an Kometen und transneptunischen Objekten nur schlecht mit irdischem Wasser übereinstimmten.

Wassermolekül

Chondriten Chondriten Hauptartikel: Wassermolekül Das Molekül des Wassers besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Geometrisch ist das Wassermolekül gewinkelt, so dass die zwei Wasserstoffatome und die zwei Elektronenpaare in die Ecken eines gedachten Tetraeders gerichtet sind. Der Winkel, den die beiden O-H-Bindungen einschließen beträgt 104,45°. Er weicht aufgrund des erhöhten Platzbedarfs der freien Elektronenpaare vom idealen Tetraederwinkel (~109,47°) ab. Die Bindungslänge der O-H-Bindungen beträgt jeweils 95,84 Picometer. Sauerstoff hat in der Pauling-Skala mit 3,5 eine höhere Elektronegativität als Wasserstoff mit 2,1. Das Wassermolekül weist dadurch ausgeprägte Partialladungen auf. In Kombination mit der dreieckigen Geometrie kommt es auf der Seite des Sauerstoffs zu einer negativen und auf der Seite der beiden Wasserstoffatome zu einer positiven Polarität. Diese bewirkt das Dipolmoment, das in der Gasphase 1,84 Debye beträgt. Wassermoleküle wechselwirken miteinander über Wasserstoffbrückenbindungen und besitzen dadurch ausgeprägte zwischenmolekulare Anziehungskräfte. Es handelt sich dabei um keine beständige, feste Verkettung. Der Verbund der über Wasserstoffbrückenbindungen unbeständig verketteten Wassermoleküle besteht nur Bruchteile von Sekunden, wonach sich die einzelnen Moleküle wieder aus dem Verbund lösen und sich in einem ebenso kurzen Zeitraum erneut verketten. Dieser Vorgang wiederholt sich ständig und führt letztendlich zur Ausbildung eines variablen Clusters. Hierdurch werden wichtige Eigenschaften wie die Dichteanomalie hervorgerufen. Je nach Isotopenzusammensetzung des Wassermoleküls unterscheidet man „schweres Wasser“, „halbschweres Wasser“ und „überschweres Wasser“.

Eigenschaften des Wassers

Hauptartikel: Eigenschaften des Wassers, Stoffdaten des Wassers

Synthese, Elektrolyse und Nachweis

Wasser wurde zum ersten Mal synthetisiert, als Henry Cavendish ein Gemisch aus Wasserstoff und Luft zum Explodieren brachte. Da Wasserstoff in der Zukunft Energieträger werden soll, ist geplant, durch die Elektrolyse des Wassers diesen Wasserstoff zu gewinnen. Allerdings ist ein hoher Energieaufwand für die Elektrolyse nötig. Mittlerweile ist es Forschern gelungen, Wasser durch Anwesenheit eines Katalysators nur mittels Sonnenlicht in Sauerstoff und Wasserstoff aufzuspalten: : \mathrm Wasser färbt weißes Kupfersulfat hellblau und blaues Cobalt(II)-chloridpapier wird durch Wasser rot gefärbt, Karl-Fischer-Titration.

Geschichte der Wassernutzung

Hauptartikel: Geschichte der Wassernutzung Die Geschichte der menschlichen Nutzung des Wassers und somit jene der Hydrologie, der Wasserwirtschaft und besonders des Wasserbaus, ist durch eine vergleichsweise geringe Zahl von Grundmotiven geprägt. Von den ersten sesshaftwerdenen Menschen zu den Hochkulturen der Antike über das Mittelalter bis zur Neuzeit, stand im Zentrum immer ein Konflikt zwischen einem zu viel und einem zu wenig an Wasser. Ihm war man dabei fast immer ausgeliefert, ob durch Dürren die Ernte einging oder Hochwasser Leben und Besitz bedrohte. Ohne die Kenntnis woher das Wasser kam und wohin es ging, wurde es zu einem Gegenstand der Mytholgie und später auch Naturphilosophie. Noch heute kommt dem Wasser in den meisten Religionen der Welt eine Sonderstellung zu, besonders dort, wo die Frage des Überlebens von der Lösung der zahleichen Wasserprobleme abhing. Ziel war es allen Nutzungsansprüchen gerecht zu werden und dabei auch jedem Menschen den ihm zustehenden Teil des Wassers zu garantieren. Hierzu wurde das Wasserrecht als eine der ersten Rechtsformen zum Mitbegründer der ersten zentralistischen Zivilisationen von Mesopotamien und Ägypten, bis in die Flusstäler Chinas und Indiens. Die lange Geschichte der Wassernutzung zeigt sich dabei, wie die Menschheitsgeschichte insgesamt, nicht als ein kontinuierlicher Entwicklungspfad. Sie wurde vor allem durch einzelne Zentren hohen wasserwirtschaftlichen Standards sowie immer wiederkehrende Brüche geprägt, neben oft Jahrhunderte lang währenden Stagnationsphasen. So beeindruckend die frühen wasserbaulichen Anlagen dabei auch waren, wie groß sich Innovationskraft und Kreativität unserer Vorfahren auch zeigte, letztlich war und ist man auch heute noch abhängig von der Natur, die man jedoch erst in vergleichsweise jüngster Zeit anfing wirklich zu verstehen.

Bedeutung des Wassers in den Wissenschaften

Zur Bedeutung für das Leben und die Welt allgemein siehe: Bedeutung des Wassers Wasser spielt wegen seiner besonderen chemischen und physikalischen Eigenschaften, vor allem des Dipolmoments, der Wasserstoffbrückenbindung und der Dichteanomalie, eine zentrale Rolle in vielen Wissenschaften und Anwendungsgebieten. Es ist der wahrscheinliche Entstehungsort des irdischen Lebens und unter Umständen auch eine Bedingung für dieses. In Organismen und in unbelebten Bestandteilen der Geosphäre spielt es als vorherrschendes Medium bei fast allen Stoffwechselvorgängen beziehungsweise geologischen und ökologischen Elementarprozessen eine entscheidende Rolle. Die Erdoberfläche ist zu circa 72 % von Wasser bedeckt, wobei Ozeane hieran den größten Anteil tragen. Süßwasserreserven bilden lediglich 2,53 % des irdischen Wassers und nur 0,3 % sind als Trinkwasser zu erschließen (Dyck 1995). Durch die Rolle des Wassers in Bezug auf Wetter und Klima, als Landschaftsgestalter im Zuge der Erosion und durch seine wirtschaftliche Bedeutung unter anderem in den Bereichen der Land-, Forst- und Energiewirtschaft ist dieses zudem in vielfältiger Weise mit Geschichte, Wirtschaft und Kultur der menschlichen Zivilisation verbunden. Die Wissenschaft, welche sich mit der räumlichen wie zeitlichen Verteilung des Wassers und dessen Eigenschaften beschäftigt, bezeichnet man als Hydrologie. Insbesondere untersucht die Ozeanologie das Wasser der Weltmeere, die Limnologie das Wasser der Binnengewässer, die Hydrogeologie das Grundwasser und die Aquifer, die Meteorologie den Wasserdampf der Atmosphäre und die Glaziologie das gefrorene Wasser unseres Planeten. In flüssiger Form wurde Wasser bislang nur auf der Erde nachgewiesen.

Wasserchemie

Die Chemie beschäftigt sich unter anderem mit der Analyse von im Wasser gelösten Stoffen, den Eigenschaften des Wassers, dessen Nutzung, dessen Verhaltensweise in verschiedenen Zusammenhängen. Wasser ist ein Lösungsmittel für viele Stoffe, für Ionenverbindungen, aber auch für hydrophile Gase und hydrophile organische Verbindungen. Sogar gemeinhin als in Wasser unlöslich geltende Verbindungen können in Spuren im Wasser enthalten sein. Daher liegt Wasser auf der Erde nirgends in reinem Zustand vor. Es hat je nach Herkunft die unterschiedlichsten Stoffe in mehr oder weniger großen Konzentrationen in sich gelöst. In der Analytik unterscheidet man unter anderem folgende Wassertypen:
- Reinstwasser
- Demineralisiertes Wasser
- Destilliertes Wasser
- Enteisentes Wasser
- Ätherisches Wasser
- Rohwasser
- Regenwasser
- Grundwasser
- Oberflächenwasser (Fließ- und Stehgewässer),
- Süßwasser/Salzwasser/Brackwasser
- Mineralwasser
- Trinkwasser
- schweres Wasser
- Abwasser, (Haushalts-Abwässer, landwirtschaftliche Abwässer,Industrie-Abwässer) Aber auch bei den wässrigen Auslaugungen (Eluaten) von Sedimenten, Schlämmen, Feststoffen, Abfällen und Böden wird die Wasseranalytik eingesetzt. Um die Eigenschaften des Wassers und eventuell darin gelöster Stoffe, bzw. damit in Kontakt stehender fester Phasen aufzuklären hat sich die Molekulardynamik-Simulation bewährt. Siehe auch: Wasserhärte, Gewässergüteklasse, Hydrophobie, Hydrophilie

Wasser in den Geowissenschaften

Hydrophilie In den Geowissenschaften haben sich Wissenschaften herausgebildet, die sich besonders mit dem Wasser beschäftigen: die Hydrogeologie, die Hydrologie, die Glaziologie, die Limnologie, die Meteorologie und die Ozeanographie. Besonders interessant für die Geowissenschaften ist, wie Wasser das Landschaftsbild verändert (von kleinen Veränderungen über einen großen Zeitraum bis hin zu Katastrophen, bei denen Wasser innerhalb weniger Stunden ganze Landstriche zerstört), dies geschieht zum Beispiel auf folgende Weisen:
- Flüsse oder Meere reißen Erdmassen mit sich und geben sie an anderer Stelle wieder ab (Erosion).
- Durch sich bewegende Gletscher werden ganze Landschaften umgestaltet.
- Wasser wird von Steinen gespeichert, gefriert in diesen und sprengt die Steine auseinander, weil es sich beim Gefrieren ausdehnt (Frostverwitterung).
- Durch Dürren werden die natürlichen Ökosysteme stark beeinflusst. Wasser ist nicht nur ein bedeutender Faktor für die mechanische und chemische Erosion von Gesteinen sondern auch für die klastische und chemische Sedimentation von Gesteinen. Dadurch entstehen unter anderem Grundwasserleiter. Auch interessiert Geowissenschaftler die Vorhersage des Wetters und besonders von Regenereignissen (Meteorologie). Siehe auch: Gewässer, Gletscher, Permafrostboden, Binnenmeer, Binnensee, Teich, Meer, Ozean, Fluss, Bach, Flussaue.

Wasser in der Hydrodynamik

Die verschiedenen strömungstechnischen Eigenschaften und Wellentypen auf mikroskopischer und makroskopischer Ebene werden intensiv untersucht, wobei folgende Fragestellungen im Mittelpunkt stehen:
- Optimierung von Bootskörpern und exponierter Baukörper (zum Beispiel Wehre) - Minimierung des Strömungswiderstandes
- Optimierung des Wirkungsgrades von wassergetriebenen Turbinenrädern
- Untersuchung von Strömungsphänomenen und Resonanzkatastrophen (Tsunami, Monsterwellen)
- Untersuchung der Konsistenz und Qualität des Mediums Wasser aus der Analyse seiner charakterisierenden Strömungseigenschaften. Mit diesem Aspekt beschäftigt sich das Institut für Strömungswissenschaften in Herrischried im Südschwarzwald.

Kulturelle Bedeutung des Wassers

Aufgrund der großen Bedeutung des Wassers wurde es nicht zufällig bereits bei den frühesten Philosophen zu den vier Urelementen gezählt. Thales von Milet sah im Wasser sogar den Urstoff allen Seins.

Wasser in der Mythologie

Thales von Milet Wasser ist in der von Empedokles eingeführten und dann vor allem von Aristoteles vertretenen Vier-Elemente-Lehre neben Feuer, Luft und Erde ein Element. Ebenso ist Wasser in der taoistischen Fünf-Elemente-Lehre (neben Holz, Feuer, Erde, Metall) vertreten. Die Bezeichnung Elemente ist hier jedoch etwas irreführend, da es sich um verschiedene Wandlungsaspekte eines zyklischen Prozesses handelt. Im antiken Griechenland wurde dem Element Wasser das Ikosaeder als einer der fünf Platonischen Körper zugeordnet.

Wasser in der Religion

In den Religionen hat Wasser häufig einen hohen Stellenwert. Oft wird die reinigende Kraft des Wassers beschworen, zum Beispiel bei den Moslems in Form der rituellen Fußwaschung vor dem Betreten einer Moschee, oder im Hindu-Glauben beim rituellen Bad im Ganges. Die christliche Taufe wurde bis ins späte Mittelalter durch Untertauchen oder Übergießen mit Wasser als Ganzkörpertaufe vollzogen, im Westen heute meist nur noch durch Besprengen mit Wasser. Die Taufe bedeutet Hinwendung zu Christus und Aufnahme in die Kirche. Sie steht auch symbolisch für Sterben (Untertauchen) und Auferstehen (ankommen am Ufer des neuen Lebens). In der katholischen und orthodoxen Kirche spielt das Weihwasser eine besondere Rolle. Vor allem die reinigende Kraft des Wassers gab immer wieder Anlass, über die Bedeutung des Wassers für das Leben und auch für ein Leben nach dem Tod nachzudenken.

Wasser in der Esoterik

In der Esoterik heißt es, Wasser sei in seiner Struktur veränderbar und übertrage so Informationen. Diese Wasser werden als "Polywasser", "levitertes", "formatiertes" oder Belebtes Wasser bezeichnet und gehen zum Teil zurück auf Masaru Emoto, Viktor Schauberger oder Wilfried Hacheney.

Wasser als Trinkwasser und Produkt

Wilfried Hacheney Die zur Trinkwasserversorgung nutzbaren Wasservorkommen werden unterschieden in Niederschlagswasser, Oberflächenwasser in Flüssen, Seen, Talsperren, Grundwasser, Mineralwasser und Quellwasser. Die Nutzung der Gewässer wird im Wasserhaushaltsgesetz (in Deutschland, Österreich und der Schweiz (?)) geregelt. In Mitteleuropa gibt es eine zuverlässige, weitgehend kostendeckende und hochwertige Wasserversorgung, meist noch durch öffentliche Anbieter. Meist kommt Leitungswasser aus der näheren Region, für die der kommunale Versorger auch ökologisch Verantwortung übernimmt. Der weltweite Wassermarkt hat ein Wachstum wie kaum eine andere Branche. Deshalb haben private Anbieter großes Interesse, Wasser als Handelsware zu definieren, um diesen Markt zu übernehmen. Auch wenn das normale Trinkwasser nicht direkt eine Handelsware darstellt, so wird auch von manchen Organisationen ins Treffen geführt, dass durch die Globalisierung auch ein indirekter Wasserexport, vor allem der Länder der dritten Welt, stattfindet. Das bedeutet beispielsweise, dass für den Anbau von Bananen 1.000 l/m² Boden notwendig ist. Durch Produktionssteigerungen, die für den Export bestimmt sind, fehlt das Wasser der einheimischen Bevölkerung. (Quelle: Wuppertaler Institut)

Wasserverbrauch

Der Wasserverbrauch ist das für den menschlichen Verbrauch benötigte Wasser. Dieses umfasst den unmittelbaren menschlichen Genuss (Trinkwasser) ebenso wie den zum alltägliche Leben (Waschen, Kochen etc.) sowie für die Landwirtschaft, das Gewerbe und die Industrie (siehe Nutzwasser) gegebenen Bedarf. Wie der Wortsinn - verbrauch darlegt, wird hierbei das Wasser im Hinblick auf seine Menge und Qualität geändert. Der Wasserverbrauch ist daher nicht nur eine Kenngröße für die nachgefragte Wassermenge, sondern zumeist auch für die Entsorgung (Kanalisation, Kläranlage) Der Wasserbedarf in Deutschland betrug 1991 47,9 Milliarden m3, wovon allein 29 Milliarden m3 als Kühlwasser in Kraftwerken dienten. Rund 11 Milliarden m3 wurden direkt von der Industrie genutzt, 1,6 Milliarden m3 von der Landwirtschaft. Nur 6,5 Milliarden m3 dienten der Trinkwasserversorgung. Der durchschnittliche Wasserverbrauch beträgt rund 130 Liter pro Einwohner und Tag (davon etwa 1 Liter zum Trinken, neben Cola, Bier oder anderen Getränken welche ebenfalls Wasser enthalten). Siehe auch: Abwasser, Nutzwasser, Verbrauch

Wasserversorgung

Verbrauch Die Versorgung der Menschheit mit sauberem Wasser stellt Menschen nicht nur in den Entwicklungsländern vor ein großes logistisches Problem. Nur 0,3 % der weltweiten Wasservorräte sind als Trinkwasser verfügbar, das sind 3,6 Millionen km3 von insgesamt ca. 1,38 Milliarden km3. Um die Wasserknappheit in niederschlagsarmen Ländern zu lindern, wurden schon verrückt erscheinende Ideen erwogen: so wurde vorgeschlagen, mit Schleppern einen riesigen Eisberg über das Meer zu schleppen, der nur zum Teil schmelzen würde, und von dem auftauenden Eisberg Trinkwasser aufzufangen. Siehe auch: Wasserverteilungssystem, Wasseraufbereitung, Wasseraufbereitungsanlage, Wasserwirtschaft, Wasserreinhaltung

Gesetzliche Grundlagen und Behörden

Hauptartikel: Wasserrecht Die wasserrechtlichen Grundlagen der Wasserwirtschaft und des öffentlichen Umganges mit den Wasserresourcen bilden in Deutschland das Wasserhaushaltsgesetz und die Europäische Wasserrahmenrichtlinie. Wichtige Behörden und Institutionen sind:
- Wasser- und Schifffahrtsamt
- LAWA (Arbeitsgemeinschaft)

Ausstellungen und Veranstaltungen rund ums Wasser


- Von 2005 bis 2014 hat die UNO zur Internationalen Aktionsdekade „Wasser – Quelle des Lebens“ aufgerufen
- Weltwasserforum
- Weltwassertag
- [http://www.hww-hamburg.de/hww_prod_engine.shtml?id=137 Museum Wasserforum HWW (Hamburger Wasserwerke)]

Siehe auch


- Trinkwasser, Mineralwasser, Aquavit - Wasser als Getränk
- Brackwasser, Salzwasser und Süßwasser - Wasserarten nach Salzgehalt
- Gewässer - Allgemeine Bezeichnung für natürliche und künstliche Wasseransammlungen
- Wasser als Handelsware, Umwelt- und Ressourcenkonflikte
- Weihwasser - als Symbol in der Religionsgeschichte
- Wasser - Der Film, einen Film aus Großbritannien, 1985, mit deutschem Titel
- Mpemba-Effekt, abnormaler Gefriervorgang

Literatur

Allgemeine Inhalte
- Karl Höll, Andreas Grohmann et. al. (2002): Wasser. Nutzung im Kreislauf. Hygiene, Analyse und Bewertung. 8. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin - New York.
- Dyck & Peschke (1995): Grundlagen der Hydrologie. 3. Auflage, Verlag Bauwesen. ISBN 3345005867
- Philip Ball (2001): H2O – Biographie des Wassers. Piper Verlag. ISBN 3492041566 Wasserchemie
- Günter Wieland (1999): Wasserchemie. 12. Auflage, Essen. ISBN 3802725425
- Bernd Naumann (1994): Chemische Untersuchungen der Lebensgrundlage Wasser. Herausgeber: Landesinstitut für Lehrerfortbildung, Lehrerweiterbildung und Unterrichtsforschung von Sachsen-Anhalt (LISA)], (=Anregungen zur ökologischen Bildung, Bd. 2), Halle. Nutzung und Schutz
- Christian Opp (Hrsg.): Wasserressourcen - Nutzung und Schutz (=Beiträge zum Internationalen Jahr des Süßwassers 2003) Marburg/Lahn 2004, 320 S., ISBN 388353049 Gesundheit/Esoterik
- Batmanghelidj, F. (2002): Wasser - die gesunde Lösung. Ein Umlernbuch. VAK Verlag. ISBN 3924077835
- Batmanghelidj, F. (2003): Sie sind nicht krank, Sie sind durstig! Heilung von innen mit Wasser und Salz. VAK Verlag. ISBN 3935767250

Weblinks

Allgemeine Inhalte
- [http://www.quarks.de/dyn/15851.phtml Quarks & Co: Lebensquell Wasser]
- [http://www.wasser-wissen.de/ Wasserlexikon der Uni Bremen]
- [http://www.grundschule-friedrichsfehn.de/projekte/wasserwanderweg/index.html Wasserwanderweg]
- [http://www.wasser.de Informationen über Wasser] Informationen zum Wasser für Kinder
- [http://www.klasse-wasser.de/ bei klasse-wasser.de]
- [http://www.grundschule-friedrichsfehn.de/projekte/wassertropfen/index.html Ein Wassertropfen auf Reisen]
- [http://www.grundschule-friedrichsfehn.de/projekte/wasserumwelt/index.html Wasser Umwelt] Multimedialinks
- Real Video (Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri):
  - [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&g2=1&f=021027.rm Ist Wasser magisch?] Kategorie:Alkoholfreies Getränk Kategorie:Wasserwirtschaft Kategorie:Ernährung Kategorie:Flüssigkeit Kategorie:Chemische Verbindung als:Wasser ja:水 ko:물 ms:Air simple:Water th:น้ำ zh-min-nan:Chúi

Wasser (Eigenschaften)

Die Eigenschaften des Wassers sind so besonders, dass sie Wasser zu dem bedeutendsten Stoff der Erde machen. Diese Eigenschaften beruhen hauptsächlich auf dem Aufbau des Wassermoleküls und der daraus resultierenden Verkettung der Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen. Die hier erläuterten Eigenschaften beziehen sich wenn nicht anders angegeben auf Wasser als Reinstoff, also ohne gelöste Stoffe. In der Natur gibt es kein solch reines Wasser, es lässt sich nur in einem Labor erzeugen. Durch die Lösung anderer Stoffe treten große Veränderungen in den Eigenschaften des Wassers auf, weshalb die hier angegeben Daten nur sehr eingeschränkt für natürliche Wässer gültig sind.

Physikalische Eigenschaften

Die physikalischen Eigenschaften des Wassers sind stark von der Temperatur und dem Druck abhängig. Vollkommen reines Wasser besitzt eine molare Masse von etwa 18,01528 g/mol und bei 3,98 °C eine Dichte von 1 kg/dm³. Allgemein kann gesagt werden, dass zum Beispiel die Oberflächenspannung und Viskosität des Wassers mit zunehmender Temperatur abnehmen. Ebenso ist die Kompressibilität temperaturabhängig. Mehrere Eigenschaften des Wassers sind besonders auf die Verkettung der Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen zurückzuführen und wegen dieser Verkettung gänzlich anders ausgeprägt, als es ohne diese zu erwarten wäre. Zu diesen zählen unter anderem der hohe Schmelz- und Siedepunkt sowie die Dichteanomalie.

Aggregatzustände

Kompressibilität Bild:Phasendiagramm_Wasser.png Unter Normalbedingungen ist Wasser, wie im obigen Phasendiagramm erkennbar, eine Flüssigkeit. Es ist der einzige bekannte Stoff, der in der Natur in allen drei klassischen Aggregatzuständen existiert. Das Phasendiagramm zeigt dabei, in wieweit der Aggregatzustand des Wassers von Temperatur und Druck abhängt. Der kritische Punkt des Wassers liegt bei 647 K und 2,21 · 107 Pa, der Tripelpunkt bei 0,01 °C und 611,657 ± 0,010 Pa . Für die Eigenschaften und Besonderheiten des gasförmigen und festen Aggregatzustands des Wasser siehe die Artikel Wasserdampf und Eis.

Schmelz- und Siedepunkt

Schmelz- und Siedepunkt des Wassers haben in der Natur eine so große Bedeutung, dass sie unter anderem als Fixpunkte für mehrere Temperaturskalen benutzt wurden. Beide sind dabei recht ungewöhnlich. Im Vergleich zu chemisch ähnlichen Verbindungen wie Schwefelwasserstoff (-61 °C), Selenwasserstoff (-41 °C) oder Tellurwasserstoff (-2 °C) hat Wasser einen relativ hohen Siedepunkt. Die obige Zunahme liegt an der ebenfalls zunehmenden molaren Masse und der dadurch höheren Energiemenge, die notwendig ist, um den jeweiligen Stoff in den gasförmigen Aggregatzustand zu überführen. Methan hat beispielsweise eine dem Wasser recht ähnliche molare Masse und siedet unter Normaldruck bei -164 °C. Nimmt man die molare Masse des Wassers als alleiniges Merkmal, so müsste es demnach einen Siedepunkt von -80 °C besitzen. Dieser liegt jedoch bei 100 °C, also um ganze 180 °C höher. Falls Wasser den aus der molare Masse abgeleitenden Regeln entspräche, so müsste es folglich bei Raumtemperatur als Gas und nicht als Flüssigkeit vorliegen. Das gleiche Bild zeigt sich auch beim Schmelzpunkt, er beträgt -86 °C Schwefelwasserstoff, -66 °C bei Selenwasserstoff und -49 °C bei Tellurwasserstoff. Bei Wasser müsste er nach der molaren Masse bei etwa -100 °C liegen, tatsächlich liegt er aber bei 0 °C. Vergleicht man den Bereich, in dem Wasser als Flüssigkeit vorkommt, so ergibt sich eine Spanne von 20 °C für den Fall, dass man allein die molare Masse betrachtet. In der Realität ist diese Spanne mit 100 °C jedoch erheblich größer. Methan All diese Besonderheiten ergeben sich durch den Aufbau des Wassermoleküls und dessen Neigung über Wasserstoffbrückenbindungen vernetzte Cluster wie im Bild rechts zu bilden. Diese zusätzlichen Bindungen, die bei den anderen Stoffen nicht vorkommen, müssen bei jedem Phasenübergang zusätzlich überwunden bzw. berücksichtigt werden. Wasser siedet also unter Normalbedingungen bei 100 °C und erstarrt bei 0 °C, es kann allerdings auch bei Normalbedingungen unter 0 °C noch als Flüssigkeit vorliegen. Es handelt sich dann um unterkühltes Wasser. Der Siedepunkt des Wasser ist allerdings stark vom Sättigungsdampfdruck abhängig. Die Siedetemperatur sinkt bei Annäherung an den Tripelpunkt zusammen mit dem Siededruck und beide erreichen an diesem Punkt ihr Minimum. Wasser lässt sich zudem aber auch etwas über seinen Siedepunkt hinaus erhitzen, was man als Siedeverzug bezeichnet. Im Wasser gelöste Stoffe verändern Siede- und Schmelzpunkt. So weist Wasser eine molare Schmelzpunkterniedrigung von 1,853 K·kg/mol und eine molare Siedepunkterhöhung von 0,513 K·kg/mol auf. Siehe auch: Stoffwerte des Sättigungsdampfdrucks in Abhängigkeit von Siede- und Sublimationstemperatur

Sublimation und Resublimation

Im Temperaturbereich von etwa 0 bis 273,16 K (-273,15 bis 0,01 °C) und einem Druckbereich von Vakuum bis ungefähr 0,006 bar, also im Bereich unterhalb des Tripelpunktes, existiert Wasser nicht in flüssiger Form, sondern nur gasförmig und fest. Eis geht in diesem Bereich, also am Sublimationspunkt, direkt in den gasförmigen Zustand über, ohne dass eine Aggregatzustandsänderung in eine Flüssigkeit stattfindet. Dieser Vorgang wird als Sublimation bzw. in Gegenrichtung als Resublimation bezeichnet. Im Vakuum findet die Sublimation bis fast 0 Kelvin (-273,15 °C) statt. Die Obergrenze ist hingegen durch den Tripelpunkt gegeben.

Spezifische Wärmekapazität

Flüssiges Wasser hat eine sehr hohe spezifische Wärmekapazität von 4187 J/(kg·K), man braucht also für die Erhitzung eines Kilogramms um ein Kelvin 4,2 Kilojoule an thermischer Energie. Das bedeutet, dass Wasser im Vergleich mit anderen Flüssigkeiten recht viel Energie aufnehmen kann, ohne das sich die Temperatur dabei deutlich erhöhen würde. Auch wird dadurch beim Abkühlen ebensoviel Energie wieder frei. Wasserdampf eine spezifische Wärmekapazität von 1870 J/(kg·K) und Eis 2060 J/(kg·K). Feste Stoffe haben in der Regel eine deutlich niedrigere spezifische Wärmekapazität. So hat etwa Blei eine Wärmekapazität von 129 J/(kg·K), Stoffdaten zur spezifischen Wärmekapazität des Wassers

Schmelz- und Verdampfungswärme

Für die Wandlung von 0 °C kaltem Eis in 0 °C kaltes Wasser muss eine Energie von 332,5 kJ/kg aufgebracht werden. Zur Umwandlung von 100 °C warmen Wasser in 100 °C warmen Dampf werden 2257 kJ/kg benötigt. Um 0 °C kaltes Wasser in 100 °C warmen Dampf zu ändern, benötigt man 100 °C · 4 kJ/kgK + 2.256 kJ = 2.656 kJ/kg. Die Verdampfungswärme des Wassers liegt wesentlich höher als die Verdampfungswärme von anderen Flüssigkeiten, Methanol hat im Vergleich nur eine Verdampfungswärme von 845 kJ/kg und Quecksilber sogar nur eine von 285 kJ/kg. In der Meteorologie kommen Schmelz- und Verdampfungswärme im Rahmen der latenten Wärme eine große Bedeutung zu.

Wärmeleitfähigkeit

Wasser hat im Vergleich zu anderen Flüssigkeiten eine hohe Wärmeleitfähigkeit, aber im Vergleich mit einigen Metallen eine sehr geringe. Die Wärmeleitfähigkeit des Wassers nimmt mit steigender Temperatur zu, Eis leitet Wärme jedoch wesentlich besser als flüssiges Wasser. Bei 20 °C weist Wasser eine Wärmeleitfähigkeit 0,60 W/mK auf. Zum Vergleich: Kupfer 394 W/mK und Silber 429 W/mK. Siehe auch: Stoffdaten zur Wärmeleitfähigkeit des Wassers

Dichte und Dichteanomalie

Wasser hat unter Normaldruck seine größte Dichte von 1000 Gramm pro Kubikdezimeter bei 3,98 °C und zeigt damit eine Dichteanomalie. Diese besteht darin, dass sich Wasser unterhalb von 3,98 °C bei weiterer Temperaturverringerung, auch beim Wechsel zum festen Aggregatzustand, wieder ausdehnt, was man nur von wenigen Stoffen kennt. Die derzeit genauesten publizierten Werte für die maximale Dichte liegen bei 999,974950 ± 0,00084 kg/m³ und bei 3,983 ± 0,00067 °C für die Temperatur, bei der dieser Wert erreicht wird. Die Werte stellen einen Mittelwert der von verschiedenen physikalischen Instituten veröffentlichten Zahlen dar (Stand 2001). Dichteanomalie Im festen Aggregatzustand – in diesem Fall bei Eis – wird normalerweise eine hohe Fernordnung durch Ausbildung eines Kristallgitters im Zuge der Kristallisation erreicht. Im flüssigen Zustand herrscht eine Mischung von Ordnung und Chaos, wobei die Moleküle aufgrund ihrer höheren Geschwindigkeit ein größeres Volumen ausfüllen. Es erhöht sich also das Volumen und die Dichte wird damit geringer. Im gasförmigen Zustand ist die maximale Unordnung erreicht und die Atome verteilen sich dementsprechend gleichmäßig über den maximal zur Verfügung stehenden Raum. Der Grund der Anomalie des Wassers ist die Verkettung der Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen. Durch sie benötigt die Struktur des festen Zustands mehr Platz als die Struktur bei beweglichen Molekülen. Die Strukturbildung ist ein fortschreitender Vorgang, das heißt, dass schon im flüssigen Zustand so genannte Cluster aus Wassermolekülen vorhanden sind. Bei 3,98 °C ist der Zustand erreicht, bei dem die einzelnen Cluster das geringste Volumen einnehmen und damit die größte Dichte haben. Wenn die Temperatur weiter sinkt, wird durch einen stetigen Wandel der Kristallstrukturen mehr Volumen benötigt. Wenn die Temperatur steigt, benötigen die Moleküle wieder mehr Bewegungsfreiraum und das Volumen steigt ebenfalls. Die sprunghafte Volumenzunahme des Wassers um ca. 9 % beim Gefrieren (im Diagramm entsprechend eine Abnahme der Dichte) und die dabei auftretenden großen Kräfte bewirken ein Bersten von Rohren, Mauerwerken, Straßenbelägen und Aufschüttungen, was man als Frostsprengung bezeichnet. Zur Vorsorge werden die Gartenleitungen im Winter entleert, Mauerwerke gestrichen und Aufschüttungen so angelegt, dass das Wasser abfließen kann. Bauwerke werden so angelegt, dass sich Wasser unter ihnen entweder nicht ansammeln oder nicht gefrieren kann, was man bei größeren Flächen und insbesondere Straßen durch ein Kies- oder Schotterbett erreicht (Frostschutz). Neben der Temperatur beeinflussen auch im Wasser gelöste Stoffe dessen Dichte, was man mit einem Aräometer messen kann. Da sich die gelösten Teilchen zwischen den Wassermolekülen verteilen und die Volumenzunahme gering ist, steigt dadurch die Dichte an. Die Zunahme der Dichte entspricht dabei in etwa der Masse an gelöstem Stoff pro Volumen und spielt eine wichtige Rolle für großräumige Wasserbewegungen, zum Beispiel im Rahmen der thermohalinen Zirkulation oder der Dynamik von Süßwasserlinsen. Die Dichteanomalie verhindert, daß Gewässer im Winter von unten her zufrieren. Die dichtesten Wasserschichten sinken nach unten und ermöglichen es so Wassertieren und -pflanzen, in Grundnähe zu überleben. Das oben schwimmende Eis isoliert gleichzeitig nach unten und verringert so die weitere Auskühlung (und damit die weitere Eisbildung) in tieferen Gewässerschichten.

Geruch, Farbe und Geschmack

Süßwasserlinse Wasser ist im reinen Zustand geschmack- und geruchlos. Da es Licht verstärkt im roten sichtbaren und im nahen Infrarotbereich absorbiert, erscheint Wasser blau, was allerdings erst in dickeren Schichten ab einigen Metern auch mit dem bloßen Auge wahrnehmbar ist. Bei im Wasser gelösten Stoffen kann es zu einer deutlichen Veränderung dieser Eigenschaften kommen, was durch den spektralen Absorptionsgrad beschrieben wird. Färbung und Trübung des Wassers in Abhängigkeit von den ihm enthaltenen Substanzen spielen eine wichtige Rolle als Indikatoren für die Wasserqualität sowie auch als Untersuchungsmethode in der Wasseranalytik.

Optische Eigenschaften

spektralen Absorptionsgrad Tritt Licht von der Luft ins Wasser ein, so wird es abgelenkt (gebrochen. Dieser Effekt ist mit einer Brechzahl von 1,33 für sichtbares Licht allerdings deutlich schwächer als zum Beispiel beim Übergang Luft-Glas oder Luft-Diamant. Das Reflektionsvermögen der Oberfläche Wasser-Luft beträgt bei senkrechtem Einfall bei 2 %. Trifft Licht vom Wasser her auf die Wasser-Luft-Oberfläche, so kommt es ab einem Grenzwinkel von 49° zur Totalreflexion, das heißt die Lichtstrahlen treten nicht aus dem Wasser aus sondern werden reflektiert. Dieser Winkel ist ebenfalls vergleichsweise gering. Die Lichtbrechung führt beim Menschen zu optischen Täuschungen, da man ein Objekt unter Wasser an einem anderen Ort sieht, als an dem es tatsächlich ist. Tiere, die auf den Fischfang spezialisiert sind, wie beispielsweise der Fischreiher, lassen sich nicht täuschen, sie berücksichtigen diese Bild-Versetzung der Beute und treffen es deshalb haargenau. Da Wasser viel sichtbares Licht durchlässt und bricht, ermöglicht dies auch die Existenz von Lebewesen wie zum Beispiel Algen im Wasser, die Licht zum Leben benötigen. Auch viele optische Effekte sind an das Wasser geknüpft. So wird zum Beispiel ein Regenbogen durch Wassertröpfchen oder ein Halophänomen durch Eiskristalle hervorgerufen.

Spezifischer Widerstand und elektrische Leitfähigkeit

Halophänomen Chemisch reines Wasser besitzt bei einem pH-Wert von 7 und der entsprechend geringen Zerfall in H3O+ und OH-, die in diesem Fall für die Stromleitung verantwortlich sind, einen hohen spezifischen Widerstand von 18,2 MΩ·cm, entsprechend einem spezifischen Leitwert von 0,0549 µS/cm (bei 25 °C). Die Temperaturabhängigkeit beträgt dabei ungefähr 1,5 bis 2 % pro Grad Celsius. Gelöste Salze und Säuren erhöhen die Ladungsträgerkonzentration. Bereits Leitungswasser erreicht je nach Mineralgehalt bis etwa die 10000-fache Leitfähigkeit von ca. 0,5 mS/cm, Meerwasser erreicht Werte von 50 mS/cm. Beim Löschen von elektrischen Kabeln oder Geräten mit Wasser kann es daher passieren, dass durch das Wasser eine leitfähige Verbindung stromführender Teile bis hin zum sogenannten Kurzschluss entsteht oder, dass die löschende Person selbst über das Wasser Teil eines Stromkreises wird (Elektrischer Schlag).

Viskosität

Die Viskosität (Zähigkeit) des Wassers bei 20 °C beträgt 1,0 mPa s. Es hat damit eine höhere Viskosität als Petroleum (0,65 mPa s bei 20 °C), aber auch eine niedrigere als zum Beispiel Quecksilber (1,5 mPa s bei 20 °C). Die Viskosität des Wassers nimmt durch die abnehmende Zahl von Wasserstoffbrückenbindungen mit zunehmender Temperatur recht schnell ab und erreicht am Siedepunkt 0,283 mPa. Auch wird die Viskosität durch eventuell gelöste Stoffe stark beeinträchtigt. Dies besonders für langkettige Polyelektrolyte, im Vergleich jedoch nur in geringem Ausmaß für organische Polymere mit kugelförmigen Molekülen. Neben der Konzentration ist also auch die Art des gelösten Stoffes von entscheidender Bedeutung für die Viskosität. Siehe auch: Stoffdaten zur Viskosität des Wassers

Oberflächenspannung

Wasser weist eine vergleichsweise große Oberflächenspannung auf, da sich die Wassermoleküle gegenseitig relativ stark anziehen. Die Oberflächenspannung beträgt etwa 73 mN/m bei 20 °C und nimmt bei zunehmender Temperatur ab. Wegen der großen Oberflächenspannung können beispielsweise Wasserläufer sich auf dem Wasser bewegen. Bei Waschvorgängen ist Oberflächenspannung hinderlich, weshalb in Waschmitteln grenzflächenaktive Stoffe (Tenside) enthalten sind, die die Oberflächenspannung senken. Deren Vorkommen ist in natürlichen Wässern jedoch gering. Siehe auch: Stoffdaten zur Oberflächenspannung des Wassers

Benetzbarkeit

Bei einer glatten Oberfläche können Kontaktwinkel von maximal 120° erreicht werden. Bei aufgerauten Oberflächen mit hydrophobem Charakter kann dieser Winkel jedoch auch bis zu 160° betragen, was man als Superhydrophobie bezeichnet. Dies machen sich viele Planzen über den Lotuseffekt zu nutze.

Kompressionsmodul und Schallgeschwindigkeit

Lotuseffekt Wasser hat bei einer Temperatur von 4 °C unter Normaldruck ein Kompressionsmodul von ungefähr 2,06 · 109 Pa. Bei einer Dichte von 1 kg/dm³ ergibt sich hieraus die recht typische Schallgeschwingkeit innerhalb eines Wasserkörpers von 1435 m/s.

Isotopenfraktionierung

Eine große Anzahl von Wassermolekülen besteht aus verschiedenen Isotopen des Sauerstoffs und Wasserstoffs, die jeweils in unterschiedlichen Konzentrationen vorkommen. Bei bestimmten Vorgängen wie der Niederschlagsbildung und deren Phasenübergängen kommt es dabei zur Isotopenfraktionierung, das heißt das Wasser verändert hierbei seine Isotopenzusammensetzung. Je nach Umgebungsbedingungen und der ursprünglichen Zusammensetzung ergeben sich hieraus spezifische Isotopensignale, die als eine Art Fingerabdruck für unterschiedliche Prozesse und Herkunftsgebiete fungieren können. Anwendung findet die entsprechende Methodik vor allem in der Hydrogeologie und Paleoklimatologie.

Wasser als Lösungsmittel

Wasser ist durch seinen Dipol ein hervorragendes polares Lösungsmittel für viele Stoffe. Generell gilt also, das die Wasserlöslichkeit mit steigender Polarität des Stoffes zunimmt. Auch besitzt Wasser mit 80,35 mPa s bei 20 °C eine vergleichsweise hohe Dielektrizitätskonstante. Die Löslichkeit in Wasser ist oft stark von der Temperatur abhängig. Dabei verhalten sich Feststoffe und Gase unterschiedlich. Gase lösen sich proportional zum Partialdruck des Gases in Wasser ohne eine feste Begrenzung der lösbaren Menge (Henry-Gesetz). Die hierbei als „Löslichkeit“ bezeichnete Gleichgewichtskonzentration je Druckeinheit nimmt mit zunehmender Temperatur ab. Dagegen lösen sich Feststoffe bei zunehmender Temperatur meist besser in Wasser, wovon es aber auch viele Ausnahmen gibt, wie zum Beispiel Lithiumsulfat. Manche Substanzen wie zum Beispiel Aceton oder Ethanol sind in beliebigem Verhältnis mit Wasser mischbar, also in einander löslich. In anderen Fällen gibt es wechselseitige Lösungen mit einer Mischungslücke, zum Beispiel mit Phenol oder Chloroform. Normalerweise gilt, dass ein molekularer Stoff sich umso besser in Wasser löst, je mehr polare Gruppen in diesem Stoff vorhanden sind. Überkritisches Wasser zeigt jedoch ähnliche Löslichkeitseigenschaften wie unpolare organische Lösungsmittel. Beim Auflösen von ionischen Stoffen im Wasser laufen der endotherme Gitterabbau und die exotherme Hydration ab, was Wärmemischungen (Schwefelsäure in Wasser) und Kältemischungen (Salze in Wasser) ermöglicht. Dabei entscheidet die Differenz zwischen der exothermen Hydration und dem endothermen Gitterabbau, ob eine Erwärmung oder eine Abkühlung eintritt. Bei Salzen entscheidet das Verhältnis zwischen Gitterenergie und Hydratationsenergie der beteiligten Ionen über die Löslichkeit, die hier definiert ist als das Produkt der molaren Ionenkonzentrationen bei Gleichgewicht mit der kristallinen Substanz (Löslichkeitsprodukt). Als Faustregel für die Löslichkeit von Ionenverbindungen kann gelten: Je höher die Ladungszahl der beteiligten Ionen, desto schwerer löslich ist der Stoff in Wasser. Im Unterschied zu einfachen Verbindungen wie Natriumchroid, werden die Ionenbindungen von Komplexen nicht gespalten. Dabei unterscheidet man zwischen zwei Gruppen. Auf der einen Seite den starken Komplexen, wie die Cyanid-Komplexe der Schwermetalle, und auf der anderen Seite die schwachen Komplexe (Aquakomplexe) der Metallionen mit Sulfat-, Hydroxil- oder Carbonationen. Die Art und das Vorkommen der verschiedenen Metallspezies bilder wichtige Fragestellungen der chemischen Wasseranalytik und Wasseraufbereitung. Bei Molekülen mit unterschiedlicher Polarität, wie zum Beispiel vielen amphiphilen Lipiden, richtet sich die Wasserlöslichtkeit bzw. Wasseraffinität nach dessen Ausrichtung. Diesen Effekt machen sich fast alle Lebewesen mit ihren Biomembranen zunutze. Man spricht in diesem Kontext auch von einer Hydrophilie oder Hydrophobie.

Chemische Eigenschaften

Die chemischen Eigenschaften des Wassers sind nicht so außergewöhnlich wie die physikalischen Eigenschaften. Wasser hat eine Molmasse von 18,01528 g/Mol und dasselbe relative Atomgewicht. Wasser ist bei vielen Reaktionen ein Katalysator, das heißt, ohne die Anwesenheit von Wasser würde eine Reaktion wesentlich langsamer und mit höherer Aktivierungsbarriere ablaufen.

Reaktivität

Wasser ist amphoter, ist also ein Stoff, der - je nach Milieu - sowohl als Säure als auch als Base wirken kann. Wasser reagiert mit Anhydriden zu Säuren oder Basen. Beispiele:
- Phosphorpentoxid (Säureanhydrid) reagiert mit Wasser zu Phosphorsäure (Säure): : \mathrm
- Natriumoxid (Basenanhydrid) reagiert mit Wasser zu Natriumhydroxid (Base): : \mathrm Wasser reagiert mit unedlen Metallen unter Wasserstoffbildung zu Metalloxiden, diese Metalloxide sind aber Basenahydride und lösen sich meist gleich wieder in Wasser zu Basen, wie eben beschrieben wurde. Ein Beispiel:
- Magnesium reagiert mit Wasserdampf zu Magnesiumoxid und Wasserstoff: : \mathrm Die wohl wichtigste Reaktion des Wassers ist die Photosynthese, welche für Pflanzen und andere Lebewesen sehr wichtig ist. Sie liefert die für Pflanzen wichtige Stärke und für den Menschen Sauerstoff (siehe: Grundbaustein des Lebens).

Nivellierender Effekt

Wässrige Lösungen gleicher Ausgangskonzentration von Ethansäure und Methansäure besitzen unterschiedliche pH-Werte, während man in gleich konzentrierten wässrigen Lösungen von Chlorwasserstoff und Perchlorsäure keine pH-Wert-Unterschiede feststellen kann. Hier macht sich der nivellierende Effekt (v. frz.: niveler = gleichmachen) des Lösungsmittels Wasser bemerkbar. Alle sehr starken Säuren reagieren mit Wasser nahezu vollständig, sodass sie vollständig dissoziieren und nur die schwache konjugierte Base und H3O+ (Oxonium) als Säure übrig bleibt. Daher können auch keine Unterschiede zwischen verschiedenen starken Säuren festgestellt werden. Man kann nicht mehr von einem Säure-Base-Gleichgewicht sprechen. Folglich kann man für sehr starke Säuren auch keinen Säureexponenten im Bezug auf Wasser aufstellen. Um auch sehr starke Säuren bezüglich der Säurestärke unterscheiden zu können, bestimmt man Gleichgewichtskonstanten in nichtwässrigen Lösungen und überträgt diese annäherungsweise auf das Lösungsmittel Wasser. Dasselbe gilt entsprechend für starke Basen.

pH-Wert

Destilliertes Wasser hat einen pH-Wert von 7, ist also neutral. In der Praxis hat Wasser aber einen pH-Wert zwischen 5 und 7, da reines Wasser ohne gelöste Stoffe in der Praxis nicht vorkommt. Lässt man Wasser an der Luft stehen, lösen sich Gase im Wasser, die den pH-Wert beeinflussen.

Ionenprodukt

Das Ionenprodukt des Wassers ist das Produkt der Konzentrationen der H3O+ und OH--Ionen im Wasser. Bei einer Leitfähigkeitsmessung von destilliertem Wasser tritt ein geringer Stromfluss auf. Dies ist ein Hinweis auf Ionen im Wasser, welche nur durch die Autoprotolyse des Wassers entstanden sein können, gemäß folgender Reaktion: : H_2O \ + \ H_2O \ \;\overrightarrow \ H_3O^+ \ + \ OH^- Durch Aufstellen des Massenwirkungsgesetzes ergibt sich: : \ K = \frac \ | \cdot c(H_2O)^2 Da die Konzentration von Wasser konstant ist (55,4 mol/L), kann diese in die Konstante einbezogen werden: : \ K \cdot c(H_2O)^2 = c(H_3O^+) \cdot c(OH^-) Kw ist demzufolge das Produkt aus Oxonium- und Hydroxidionen: Bei 25 °C gilt Kw=10-14 (mol/l)². Damit liegt das Gleichgewicht sehr stark auf der Seite des Wassers. Die Konzentrationen von H3O+ und OH--Ionen betragen jeweils 10-7 mol/L. Der pH-Wert ist also 7. Wird die Konzentration einer der beiden Ionen erhöht, bleibt das Ionenprodukt von 10-14 erhalten, d.h. die Konzentration des anderen Ions sinkt. Für die pH- und pOH-Werte gilt deshalb immer, dass ihre Summe 14 ergibt. Der pKW des Wassers ändert sich in Abhängigkeit von der Temperatur. (experimentelle Werte, bestimmt durch Leitfähigkeitsmessung)

Literatur


- Klaus Scheffler (1981): Wasserdampftafeln: thermodynam. Eigenschaften von Wasser u. Wasserdampf bis 800°C u. 800 bar, Berlin [u.a.] ISBN 3540109307
- Leopold Lukschanderl (1991): Wasser: der Stoff, der zwar gewöhnlich aussieht, aber ganz außergewöhnliche Eigenschaften besitzt. Wien. ISBN 3851280628
- L.A. Guildner, D.P. Johnson und F.E. Jones (1976): Vapor pressure of Water at Its Triple Point. J. Res. NBS - A, Vol. 80A, No. 3, p. 505 - 521

Weblinks


- [http://www.welsch.com/index.php?chap=6 interaktives Modul zum Thema H2O Schwingungen]
- [http://www.hydroskript.de/html/_index.html?page=/html/hykp0301.html Die physikalischen Eigenschaften des Wassers] Kategorie:Wasser

Aggregatzustände

Als Aggregatzustände bezeichnet man qualitativ verschiedene, temperatur- und druckabhängige physikalische Zustände von Stoffen. Die Abhängigkeit des Aggregatszustandes beziehungsweise des in der Thermodynamik enger gefassten Begriffs der Phase von diesen Zustandsgrößen, wird üblicherweise in einem Phasendiagramm dargestellt.

Die klassischen Aggregatzustände

Es gibt drei klassische Aggregatzustände:
- fest - in diesem Zustand behält ein Stoff im Allgemeinen sowohl Form als auch Volumen bei.
- flüssig - hier wird das Volumen beibehalten, aber die Form ist unbeständig und passt sich dem umgebenden Raum an.
- gasförmig - hier entfällt auch die Volumenbeständigkeit, ein Gas füllt den zur Verfügung stehenden Raum vollständig aus. Einen Stoff im festen Aggregatzustand nennt man Festkörper, einen Stoff im flüssigen Aggregatzustand nennt man Flüssigkeit und einen Stoff im gasförmigen Aggregatzustand nennt man Gas. In verschiedenen Anwendungsbereichen des Begriffs unterscheidet man auch nach anderen Merkmalen:
- kristallin - ein spröder Stoff, der seine Form nicht verändert. Seine Bausteine, die Kristalle, weisen eine Fernordnung auf.
- amorph - ein Feststoff, der lediglich durch eine Nahordnung ausgezeichnet ist (siehe amorphes Material)
- gasförmig - analog zur klassischen Bezeichnung.

Teilchenmodell der Zustände

Die Eigenschaften der klassischen Aggregatzustände lassen sich mit einem Teilchenmodell erklären. Dabei nimmt man an, dass ein Stoff aus so genannten kleinsten Teilchen besteht. In der Wirklichkeit sind zwar diese kleinsten Teilchen von anderer Form (Atome, Moleküle oder Ionen), aber für die Erklärung der Aggregatzustände reicht es aus, die Teilchen als kleine, runde Kugeln anzusehen. Die mittlere kinetische Energie aller Teilchen, ist in allen Zuständen ein Maß für die Temperatur. Die Art der Bewegung ist in den drei Aggregatzuständen jedoch völlig unterschiedlich. Im Gas bewegen sich die Teilchen geradlinig wie Billardkugeln, bis sie mit einem anderen oder mit der Gefäßwand zusammen stoßen. In der Flüssigkeit müssen sich die Teilchen durch Lücken zwischen ihren Nachbarn hindurch zwängen (