Skript zur Veranstaltung Wasser das Lebenselixier aquatischer Lebensräume

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1 Skript zur Veranstaltung Wasser das Lebenselixier aquatischer Lebensräume Pädagogische Hochschule Weingarten Sommersemester 2012 Dr. Heinz M. Strehle

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3 Folie 2: Wasser eine simple chemische Verbindung Nach seiner chemischen Struktur beurteilt, ist die Verbindung Wasser zunächst einmal als eine überaus einfache Substanz zu sehen. Zwei Atome Wasserstoff und ein Atom Sauerstoff - beides Gase - fügen sich zu einer Verbindung einer Flüssigkeit zusammen. Folie 3: Aspekte des Mediums Wasser: - Es ist Gegenstand in den Lehrplänen aller Schulstufen. - Unser Alltag wäre ohne Wasser nicht denkbar. - Seit Menschengedenken spielt Wasser im Denken aller Kulturen eine herausragende Rolle. - In vielen Schöpfungsmythen markiert das Wasser den Anfang der Welt. - Im Alten Testament scheidet Gott bei einem seiner ersten Schöpfungsakteakte das Wasser von der Erde. - Eine nahezu identische Schilderung der Schöpfung findet man im polynesischen Kulturraum. Dort ist es das höchste Wesen Io, welches das Land vom Wasser abhebt. - Vor vielen kultischen und religiösen Handlungen stehen Reinigungszeremoniale bei denen Wasser eine unverzichtbare Rolle spielt. Auffällig ist dies bei den mosaischen Religionen, die in einer sehr wasserarmen Region entstanden sind. - Sowohl beim Eintritt ins Leben, als auch beim Tod spielt Wasser oft eine Rolle. Christen werden mit Wasser getauft. Hinduisten und Buddhisten vertrauen die Asche Ihrer Toten dem Wasser an. Folie 4: Mythen und Wasser Viele für die Menschheitsgeschichte einschneidende Ereignisse standen im Zusammenhang mit dem Wasser. Sie begründeten Mythen. Ein bekanntes Beispiel dafür ist die biblische Sintflut. Seinen Ursprung hat die Schilderung der Sintflut im Gilgamesch Epos aus Mesopotamien. Möglicherweise entstand der Mythos um die Sintflut im Zusammenhang mit dem Durchbruch des Mittelmeers in das Schwarze Meer. 3

4 Folie 5: Erstes wissenschaftliches Nachdenken zum Wesen des Wassers In der antiken Naturphilosophie glaubte man, die Welt bestünde aus vier Elementen: der Erde, der Luft, dem Feuer und Wasser. Nach Thales von Milet (* um 624 v. Chr.) war das ursprünglichste dieser Elemente das Wasser. Denn aus dem Feuchten entsteht alles Neue, wie uns keimende Samen zeigen, begründet Thales seine Auffassung. Alle anderen Substanzen auf der Erde sollten Mischungen aus diesen vier Elementen sein. Platon und Aristoteles stellten sich die Materie aus Atomen zusammengesetzt vor. Die sollten analog geometrischen Grundkörpern gebildet sein. Einer davon, meinten sie, sei das Wasser. Die fünf platonische Grundkörper sind: der Hexaeder, der Tetraeder, der Oktaeder, der Ikosaeder und der Dodekaeder. Der Hexaeder (Sechsflächer oder Würfel) steht für die Erde, die von den Elementen die dichteste ist. Würfel können sie in einer Kiste so packen, dass keine Leerräume zwischen ihnen sind. Der Ikosaeder besteht aus 20 gleichseitigen Dreiecken und steht für das Wasser. Ikosaeder lassen sich zwar sehr dichten packen, aber dabei bleiben immer Leerräume bestehen. Ikosaeder gleiten sehr leicht aneinander vorbei. So erklärte man sich das Flüssigsein von Wasser. Der Oktaeder, der aus acht gleichseitigen Dreiecken besteht, symbolisiert die Luft. Oktaeder sind nicht sehr dicht zu packen, darum meinte die antiken Naturphilosophen auch, sei die Luft gasförmig. Gleichfalls nicht sehr dicht zu packen sind Tetraeder, die sich aus vier gleichseitigen Dreiecken zusammensetzen. Der Tetraeder steht für das Feuer. Er läuft an seinen Ecken spitz aus, und darum verbrennt man sich auch am Feuer die Hände, wenn man sie über dieses hält. Die Spitzen des Tetraeders dringen in die Haut ein und stechen uns auf diese Weise. So kommt der Schmerz bei einer Verbrennung zusammen. Schließlich gibt es noch den Dodekaeder, den Zwanzigflächer, der sich aus regelmäßigen Fünfecken (Penatgonen) konstituiert. Dieser platonische Grundkörper steht für den Äther, der aber nicht auf der Erde vorkommt, sondern jenseits der Mondbahn in der göttlichen Sphäre anzusiedeln ist. Uns heutigen kommen diese Anschauungen reichlich spekulativ vor und sind auch mit unserem heutigen Wissen auch nicht mehr annähernd vereinbar. Für ihre Zeit waren sie aber insofern revolutionär, als sie sich von den überkommenen Mythen abhoben. In sich betrachtet ist die antike Naturphilosophie durchaus stimmig. Sie ist nur, was ihre Grundannahmen anbelangt spekulativ. Folie 6: Die wahre Natur des Wassers Die Annahme, dass Wasser ein Element sei, bestand bis weit in die Neuzeit jedoch zeigte der französische Chemiker Antoine Laurent Lavoisier, dass Wasser kein Element sondern eine chemische Verbindung ist, dass es sich nämlich in andere Substanzen aufspalten ließ. Er leitete Wasserdampf über heiße Eisenfeilspäne. Dabei zerfiel dieser in Wasserstoff und das Eisen wurde zu Eisenoxid. H 2 O + Fe FeO + H 2. Folie 7: Auch heute noch wird über das Wesen des Wassers intensiv nachgedacht Das Thema Wasser bewegt auch heute noch die Gemüter von Wissenschaftlern. Wir sind weit davon entfernt, alle mit der Substanz Wasser verbundenen Phänomen erklären zu können. Der Engländer Felix Franks schrieb im 20. Jahrhundert ein siebenbändiges Werk zur Chemie des Wassers. 4

5 Folie 8: Wie kam das Wasser auf die Erde? 70 % der Erdoberfläche sind mit Wasser bedeckt. Nach dem heutigen Wissen stammt das Wasser auf der Erdoberfläche hauptsächlich aus dem inneren der Erde. Ein weiterer Teil des irdischen Wassers ist mit Meteoriten auf die Erde gelangt. Folie 9: Wie und wo sind die Grundbausteine des Wassers entstanden? Wasserstoff und Sauerstoff, die Bausteine des Wassers, sind aus zwei unterschiedlichen kosmologischen Prozessen hervorgegangen. Die Elemente Wasserstoff, Helium und Lithium sind schon kurz nach dem Urknall vor rund 13,7 Mrd. Jahren entstanden. Alle weiteren Elemente vom Kohlenstoff haben sich im Inneren von Sternen gebildet, und wurden, wenn diese bei Supernovae zerfielen, in den Weltraum geschleudert. Supernovae sind auch die Quelle, welche die Elemente, deren Ordnungszahl größer als die des Eisens ist, hervorbringen. Folie 10: Merkwürdige Eigenschaften des Wassers In der Chemie gibt es eine Faustformel, die besagt, dass der Schmelz- und Siedepunkt einer Verbindung um so höher sind, je größer das Molekulargewicht der Verbindung ist. Fernerhin gilt, dass eine Substanz in der Regel ihre größte Dichte im festen Zustand hat. Wenn man die Verbindungen, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Kohlendioxid in Betracht zieht, stimmt diese Faustregel. Fasst man dagegen das Wasser noch zusätzlich mit ein, verliert sie - zumindest partiell - ihre Gültigkeit. Der Siede- und der Schmelzpunkt des Wassers sind viel zu hoch. Außerdem hat Wasser nicht im festen also als Eis sondern im flüssigen Zustand seine größte Dichte. Folie 11: Warum ist Wasser so eine verrückte Substanz? Dass Wasser in seinem Verhalten so sehr von einer normalen Substanz abweicht, liegt an seiner molekularen Struktur. Vergleicht man den Bau des Kohlendioxidmoleküls mit dem des Wassers, so sieht man, dass ersteres eine lineare und letzteres eine geknickte Form hat. Linear angeordnet sind auch die Atome im Wasserstoff, Stickstoff- und Sauerstoffmolekül. Diese strukturelle Eigentümlichkeit zieht es nach sich, dass sich die elektrischen Ladungen gleichmäßig auf der Oberfläche des Moleküls verteilen. Die geknickte Struktur des Wassermoleküls hat im Gegensatz dazu eine asymmetrische Verteilung der elektrischen Ladungen zur Folge. Dadurch wird das Molekül zu einem Dipol, das andere Moleküle anzuziehen vermag. Folie 12: Wassermoleküle schließen sich zu Brücken zusammen Wegen der dipolischen Beschaffenheit und der unterschiedlichen Ladungsverteilung auf dem Molekül fügen sich Wasserpartikelchen zu Brücken zusammen. Und dies ist auch der Grund, weshalb Wasser trotz seines geringen Molekulargewichtes flüssig ist. Wassermoleküle verketten sich zu sog. Clustern Trauben. Diese Cluster haben jedoch nur eine kurze Lebenszeit. Sie arrangieren sich ständig neu. Die Neigung zur Brückenbildung führt dazu, dass sich im Eis Wassermoleküle in regelmäßigen Kristallgittern anordnen. Dabei vergrößern sich die Abstände zwischen den einzelnen Wassermolekülen gegenüber dem flüssigen Zustand des Wassers. Deshalb ist die Dichte von Eis geringer als die von Wasser, und das wiederum hat zur Folge, dass Wasser im flüssigen Zustand die größte Dichte hat und Eis auf dem Wasser schwimmt. 5

6 Folie 13: Adhäsion und Kohäsion Die Anziehungskraft, die gleichartige Moleküle aufeinander ausüben, nennt man Kohäsion. Die Kohäsion verursacht beim Wasser die Oberflächenspannung. Die Adhäsion ist eine Wechselwirkung zwischen einem Wasser und anderen Molekülen oder Atomen. Adhäsion wirkt z.b., wenn man zwischen zwei Objektträgern einen Tropfen Wasser gibt, und diese sich nicht mehr voneinander lösen lassen. Aufgrund der Adhäsion kann Wasser in den kapillaren Gefäßen eines Baumes bis zu 100 Meter hoch in aufsteigen. Bei geringen Adhäsionskräften bilden Tropfen auf einer Oberfläche nahezu eine kugelige ansonsten eine eher flache Struktur aus. Wasser steigt in einer Glaskapillare nach oben, Quecksilber wird aufgrund der überwiegenden Kohäsion nach unten gedrückt. Folie 14: Die Oberflächenspannung des Wassers Flüssigkeiten neigen dazu Kugeloberflächen anzunehmen, weil dies der energetisch günstigste Zustand ist. Sehr stark ausgeprägt ist dies bei Wasser, weil die einzelnen Moleküle sich aufgrund ihrer Dipolarität stark anziehen. Folie 15: Auf dem Wasser schwimmen metallene Gegenstände Die Oberflächenspannung des Wassers ist so ausgeprägt, dass sogar flache metallene Gegenstände auf ihm schwimmen. Dies kann man in der Schule mit geringem Aufwand demonstrieren. Folie 16: Eine weitere Merkwürdigkeit des Wassers ist seine Dichteanomalie Neben dem genannten eigentümlichem Verhalten zeichnet sich Wasser noch dadurch aus, dass es bei 4 C seine größte Dichte hat. Deshalb schwimmt Eis auf dem Wasser und geht darin nicht unter. Folie 17: Preisfrage: Was geschieht, wenn der Eisbrocken geschmolzen ist? Diese Frage können Sie sehr gut in der Schule behandeln. Das Glas läuft selbstverständlich nicht über, denn wenn das überstehende Eis abgeschmolzen ist, nimmt es das gleiche Volumen ein, wie der Eisanteil unter Wasser. Neben dem uns bekannte Eis, gibt es aber noch exotischere Formen des gefrorenen Wassers. Bei einem Druck von bar und einer Temperatur von -196 C gefriert Wasser zu einer Form von Eis, das im flüssigen Wasser untergeht. Bei dieser Form des Eises ist die beim gewöhnlichen Eis übliche Kristallstruktur zerstört, sie ist, wie man sagt: amorph (formlos), wie z.b. Glas, das auch ein Amorphus ist. Folie 18: Auflösen der Oberflächenspannung mit Tensiden und Seifen Mit Tensiden und Seifen lässt sich die Oberflächenspannung von Wasser auflösen. Mit Tensiden kann man auch Fette in Wasser lösen. Diese Fähigkeit von Tensiden wird auch in der Lebensmittelchemie genutzt. Dann spricht man aber nicht von Tensiden sondern von Emulgatoren. Das Molekül eines Tensids besteht aus einem lipophilen (fettliebenden) und einem hydrophilen (wasserliebenden) Ende. Auf diese Art und Weise kann z.b. Fett in so kleine Partikel aufgelöst werden, dass es sich von einer Oberfläche lösen. 6

7 Folie 19: Wasser das universellste Lösungsmittel in der Natur Aufgrund seiner dipolaren Struktur kann das Wassermolekül vor allem die positiv und negativ geladenen Ionen aus Salzkristallen herauslösen. Auch organische Moleküle, die entweder elektrisch geladen sind oder deren Ladungen wie die des Wassers dipolar angelegt sind lösen sich in Wasser. Letzteres sind z.b. Zucker. Übergang: Neben der chemischen Lösung von Teilchen in Wasser können letztere auch auf andere Weise in Wechselwirkung mit dem Wasser treten Folie 20: Was ist eine Emulsion? Emulsionen sind Gemische fein verteilter normalerweise nicht miteinander mischbarer Stoffe (Fette in Wasser). Sie können durch entsprechende Manipulationen, z.b. starkes Rühren oder Zugabe von Emulgatoren hergestellt werden. Beispiele für Emulsionen: Milch, Majonäse. Emulsionen können unterschiedlich stabil sein. Man unterscheidet folgende Typen: - Stabile Emulsionen entmischen sich nur schwer - Aufrahmungen kommen zustande, wenn sich Emulsionen leicht entmischen. Bei der Vollmilch bildet sich nach kurzer Zeit eine Fett- und eine eine wässrige Phase - Koaleszenzen sind Emulsionen, die sich schlagartig entmischen, so z.b. wenn man einen Tropfen Zitronensaft in Milch gießt. Emulsionen, die aus Wasser und Fetten bzw. Ölen bestehen, kann man auch danach unterscheiden, ob es eine Öl-in Wasser-Emulsion ist, z.b. Sahne, oder eine Wasser-in-Öl- Emulsion, z.b. Butter ist. Bei der ersteren ist die Matrix, die Umgebung das Wasser, bei der letzteren Fett oder Öl. Der eine Emulsionstyp kann schlagartig in den anderen übergehen. Wenn man die Sahne zu lange schlägt wird sie zu Butter, dabei tritt Wasser aus (Buttermilch). Folie 21: Was ist eine Suspension? Eine Suspension ist ein heterogenes Stoffgemisch aus einer Flüssigkeit und einem darin aufgeschlämmten Feststoff. Sinken die Feststoffe zu Boden spricht man von einer Sedimentation. Die Sedimentation kann man durch eine Zentrifugation beschleunigen. Die überstehende Flüssigkeit wird durch Dekantieren abgezogen, z.b. wenn man Rotwein von seinen Sinkstoffen trennt. Beispiele für Suspensionen: in Meerwasser aufgeschlämmter Sand, Tusche, Danziger Goldwasser (diese Spirituose enthält feine Blattgoldflitter). Chinesische Tusche ist ein Gemisch aus Leim und Ruß und wird mit einem Reibestein zerrieben und in Wasser suspendiert. 7

8 Folie 22: Was ist ein Kolloid? Ein Kolloid, auch kolloidale Lösung oder Sol (im festen Zustand Gel) genannt, ist eine Lösung in der ein Stoff in einem Lösungsmittel sehr fein verteilt ist. Das Kolloid als auch das Lösungsmittel können ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. Das Wort leitet sich vom griechischen kolla (= Leim) und eidos (= Form, Aussehen) ab. Ein Kolloid ist ebenfalls eine Suspension allerdings sind die suspendierten Teilchen sehr viel kleiner. Sie sind 10-7 bis 10-9 m groß. Sie umfassen 10 3 bis 10 9 Atome. Aufgrund der sogenannten brownschen Molekularbewegung bleiben sie ständig in der Schwebe. Die brownsche Molekularbewegung kommt dadurch zustande, dass Wasserteilchen, die an das kolloidale Teilchen stoßen dies ständig in Bewegung halten. Aus diesem Grunde auch tanzen Fetttröpfchen unter dem Mikroskop in der Milch. Kolloide sind z.b. Kaffee und Tee. Man kann beides Ewigkeiten stehen lassen und es setzt sich nichts am Boden ab. Folie 23: Die wichtigsten Eigenschaften des Wassers im Überblick Name: Wasser Andere Namen: μ-oxidodiwasserstoff, Diwasserstoffoxid, Oxidan Summenformel: H 2 O CAS-Nummer: Kurzbeschreibung: transparente und nahezu farblose Flüssigkeit, zudem geschmacks- und geruchlos, wenn Reinstoff Zentrale Stoffdaten Molmasse: 18,01528 g/mol Dichte: 1000 kg/m³ (3,98 C: 999,975 kg/m³) Schmelzpunkt: 0 C / 1013,25 hpa Siedepunkt : 100 C / 1013,25 hpa Tripelpunkt: 0,01 C / 6,1166 hpa kritischer Punkt: 374,15 C / 22,12 Mpa Sättigungsdampfdruck: 31,6874 hpa (25 C) spezifische Wärmekapazität: 4187 J/(kg K) Wärmeleitfähigkeit: 0,597 W/mK (20 C) Verdampfungswärme: 2257 kj/kg bzw. 40,8 kj/mol Schmelzwärme: 332,5 kj/kg Brechzahl: 1,33251 (25 C, sichtbares Licht) / 1,310 (Eis) Viskosität: 1,0 mpa s (20 C) Dielektrizitätskonstante: 80,35 (20 C) Hervorzuheben aus dieser Tabelle ist, dass Wasser eine für eine Flüssigkeit große Dichte von 1 g/ml und eine sehr große spezifische Wärmekapazität hat. Beides ist für aquatische Lebensräume von großer Bedeutung. Quelle: 8

9 Folie 24: Erscheinungsformen des Wassers Je nachdem, welchen äußeren Bedingungen man die Verbindung H 2 O aussetzt, kann sie verschiedene Erscheinungsformen annehmen. Man kennt verschiedene Arten von Wasser, z.b. glasartiges, 13 verschiedene Formen von Eis, von denen viele eine größere Dichte als das normale Wasser haben. Es gibt Dampf und überkritisches Wasser, oberhalb von 374,12 C und einem Druck von 221,2 bar sind Wasser und Dampf aufgrund ihrer Dichte nicht mehr unterscheidbar. Hochreines Wasser, das man auf -137 C abkühlt gefriert nicht, sondern wird zähflüssig wie Honig. Es verwandelt sich in einen sog. amorphen Zustand, es wird zu einem Glas Folie 25: Der Mpemba-Effekt Wenn man das Experiment richtig durchführt, d.h., wenn man genügend große Wassermengen nimmt, und die beiden Bechergläser offen sind, gefriet das Wasser in dem Becherglas mit dem 80 C warmen Wasser schneller als das mit dem 4 warmen. Dieses Phänomen ist in der Wissenschaft unter dem Begriff Mpemba-Effekt bekannt, benannt nach dem angolanischen Schüler Erasto B. Mpemba. Wie dieser Effekt zustande kommt, ist noch nicht in allen Einzelheiten verstanden. Es gibt mehrere Erklärungen. Die plausibelste dürfte die sein, dass in dem Becherglas mit dem warmen Wasser ein höherer Dampfdruck als in dem mit dem kälteren herrscht. Wenn Wasser aber von der flüssigen in die dampfförmige Phase übergeht, entzieht es seiner Umgebung sehr viel Wärme (2257 kj/kg). Das kühlt zum einen das System (warmes Becherglas) ab, zum anderen verringert es dort das Wasservolumen. Beides führt dazu, dass es zu einem schnelleren Gefrieren kommt. Folie 26: Was löscht ein Feuer besser: Heißes oder kaltes Wasser? Auch wenn es einem gegen den Strich geht: Heißes Wasser oder gar Wasserdampf wäre die bessere Wahl für die Feuerwehr. Nicht das Wasser selbst, sondern Wasserdampf löscht Feuer. Der Dampf nämlich verdrängt den für den Verbrennungsvorgang nötigen Sauerstoff. Heißes Wasser verdampft schneller als kaltes Wasser und kann somit Flammen schneller ersticken. Da zudem die Viskosität, das heißt die Zähigkeit von Flüssigkeiten, bei steigenden Temperaturen abnimmt, kann sich heißes Wasser am Brandherd schneller ausbreiten und den gewünschten branderstickenden Effekt hervorrufen. 9

10 H 2 O