Wasser
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Wasser (H2O): Struktur, Eigenschaften und Reaktivität
Molekulare Struktur von Wasser
Das Wassermolekül ist anders als manche es vielleicht erwarteten würden, nicht linear. Das Sauerstoffatom nimmt mittig Platz zwischen den beiden Wasserstoffatomen, allerdings mit einem gewinkelten Aufbau. Der Winkel zwischen den Wasserstoffatomen beträgt dabei etwa 104,5°. Dies ist auf die sp³-Hybridisierung des Sauerstoffs zurückzuführen, wobei zwei Hybridorbitale mit Wasserstoffatomen kovalente Bindungen bilden und die beiden anderen die nichtbindenden Elektronenpaare (auch als “einsame Elektronenpaare” bekannt) beherbergen.
Die VSEPR-Theorie erklärt diese Struktur durch die elektrostatische Abstoßung, die zwischen den Elektronenpaaren herrscht und den Raum, den diese um den Sauerstoff einnehmen, maximiert.
Versteht die Bedeutung des Bindungswinkels und das resultierende Dipolmoment von Wasser, um die Polarität und die Fähigkeit zur Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen zu erklären.
Dipolmoment und Wasserstoffbrücken
Das Wassermolekül ist polar. Dies liegt daran, dass Sauerstoff eine höhere Elektronegativität aufweist als Wasserstoff, was zu einer asymmetrischen Verteilung der Elektronendichte führt. So entsteht ein Dipolmoment, und das Molekül weist eine positive und eine negative Seite auf.
Die Polarität von Wasser ermöglicht die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen – eine Art der starken intermolekularen Kräfte. Diese Bindungen sind für viele der besonderen Eigenschaften von Wasser verantwortlich.
Die physikalischen Eigenschaften von Wasser
Die Wasserstoffbrücken sind der Hauptgrund dafür, dass Wasser Vergleichsweise hohe Siede- und Schmelztemperaturen hat. Besonderes Hervorzuheben ist hier die Dichte-Anomalie von Wasser: Bei 4°C erreicht Wasser seine maximale Dichte, was essenziell für aquatische Ökosysteme ist. Unterhalb dieser Temperatur dehnt es sich wieder aus, sodass Eis auf Wasser schwimmt.
Merkt euch die Dichteanomalie und deren ökologische Konsequenzen.
Autoprotolyse und Säure-Base-Verhalten
Wasser kann selbst als Säure und Base fungieren, was durch die Autoprotolyse verdeutlicht wird, bei der Hydroxid- (OH⁻) und Hydroniumionen (H₃O⁺) entstehen. Diese amphoterische Eigenschaft macht Wasser zu einem lebenswichtigen Lösungsmittel und beteiligt es direkt an vielen chemischen Gleichgewichten.
Reaktivität von Wasser
Das Lösungsverhalten von Wasser ändert sich mit der Temperatur. Beispielsweise steigt der Dampfdruck mit der Temperatur, sodass flüchtigere Verbindungen wie Brom oder Wasserstoffperoxid in Reaktionen beeinflusst werden können. Ein Beispiel ist die Reaktion von Thiosulfat mit Brom in wässriger Lösung. Auch der pH-Wert kann temperaturabhängig schwanken.
Schweres Wasser (D2O)
Schweres Wasser, bestehend aus Sauerstoff und Deuterium (dem schweren Isotop des Wasserstoffs), ist chemisch ähnlich wie gewöhnliches Wasser, kann aber in der NMR-Spektroskopie genutzt werden, um Protonenaustauschreaktionen nachzuweisen, da es keine Protonen im Kern besitzt. Es ist nicht radioaktiv und kann mit normalem Wasser gemischt werden.
Wasserhärte
Die temporäre und permanente Wasserhärte wird durch die gelösten Erdalkalimetall-Ionen verursacht und kann durch den Einsatz von Ionenaustauschern und Polyphosphaten beeinflusst werden.
Das IMPP fragt besonders gerne nach den Auswirkungen und Messmethoden der Wasserhärte – ein entscheidendes Konzept für Umweltchemie und technische Anwendungen.
Vergleich zwischen H2O und H2S
Wasser und Schwefelwasserstoff (H2S) sind zwar chemisch ähnlich, zeigen aber aufgrund der stärkeren Wasserstoffbrückenbindung in H2O und der höheren Elektronegativitätsdifferenz zwischen Sauerstoff und Wasserstoff deutlich unterschiedliche physikalische Eigenschaften. Zum Beispiel ist Wasser eine schwächere Säure als H2S, aber hat eine höhere Siedetemperatur aufgrund der stärkeren intermolekularen Kräfte.
Zusammenfassung
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Footnotes
Credits Die gewinkelte Struktur des Wassermoleküls Grafik: Dan Craggs, H2O 2D labelled, als gemeinfrei gekennzeichnet, Details auf Wikimedia Commons↩︎
Credits Wasserstoffbrückenbindungen Grafik: User Qwerter at Czech wikipedia: Qwerter. Transferred from cs.wikipedia to Commons by sevela.p. Translated to english by by Michal Maňas (User:snek01). Vectorized by Magasjukur2, 3D model hydrogen bonds in water, als gemeinfrei gekennzeichnet, Details auf Wikimedia Commons↩︎
