WAS SIND WASSERANOMALIEN? - CHEMIE - 2025

Die Anomalien des Wassers sind jene Eigenschaften, die die wichtigste und speziellste flüssige Substanz auszeichnen und positionieren. Wasser zeigt physikalisch und chemisch einen großen Unterschied zu anderen Flüssigkeiten und übertrifft sogar die Erwartungen und theoretischen Berechnungen. Vielleicht ist es so einfach und gleichzeitig so komplex wie das Leben selbst.

Wenn Kohlenstoff der Eckpfeiler des Lebens ist, entspricht Wasser seiner Flüssigkeit. Wenn es nicht einzigartig und unvergleichlich wäre, ein Produkt seiner Anomalien, wären die Kohlenstoffbindungen, aus denen die biologischen Matrizen bestehen, nutzlos. Die Wahrnehmung des Lebens würde zusammenbrechen, die Ozeane würden vollständig gefrieren und die Wolken würden nicht am Himmel schweben.

Eisberge und auf dem Wasser schwimmende Eiskörper sind ein normalerweise übersehenes Beispiel für eine der Wasseranomalien. Quelle: Pexels.

Wasserdampf ist viel leichter als andere Gase und seine Wechselwirkung mit der Atmosphäre führt zur Bildung von Wolken. Die Flüssigkeit ist in Bezug auf das Gas erheblich dichter, und dieser Unterschied in ihrer Dichte scheint im Vergleich zu anderen Verbindungen akzentuiert zu sein. und der Feststoff hat anomal eine viel geringere Dichte als die Flüssigkeit.

Ein Beispiel für Letzteres ist die Tatsache, dass Eisberge und Eis in flüssigem Wasser schwimmen, einem Produkt seiner geringeren Dichte.

Spezifische Wärme

Strände, ein weiteres natürliches Beispiel, bei dem die anomale spezifische Wärme von Wasser makroskopisch beobachtet wird. Quelle: Pixabay.

Wasser zeigt einen starken Widerstand gegen die Erhöhung seiner Temperatur vor einer Wärmequelle. Daher muss die Quelle genügend Wärme liefern, um das Wasser zu zwingen, seine Temperatur um ein Grad Celsius zu erhöhen. Das heißt, seine spezifische Wärme ist hoch, höher als die einer gewöhnlichen Verbindung und hat einen Wert von 4,186 J / g · ºC.

Mögliche Erklärungen für seine anomale spezifische Wärme sind auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Wassermoleküle auf ungeordnete Weise mehrere Wasserstoffbrückenbindungen bilden und die Wärme abgeführt wird, um die Schwingungen solcher Brücken zu erhöhen. Andernfalls würden die Wassermoleküle nicht mit einer höheren Frequenz schwingen, was sich in einem Temperaturanstieg niederschlägt.

Andererseits brauchen die Moleküle, sobald sie thermisch angeregt wurden, Zeit, um den ursprünglichen Zustand ihrer Wasserstoffbrücken wieder herzustellen. Dies ist das Gleiche wie zu sagen, dass es Zeit braucht, um sich unter normalen Bedingungen abzukühlen und sich wie ein Wärmespeicher zu verhalten.

Strände zeigen zum Beispiel beide Verhaltensweisen zu verschiedenen Jahreszeiten. Im Winter bleiben sie wärmer als die Umgebungsluft und im Sommer kühler. Aus diesem Grund ist es sonnig, aber wenn Sie im Meer schwimmen, fühlt es sich kühler an.

Latente Verdampfungswärme

Wasser hat eine sehr hohe Enthalpie oder latente Verdunstungswärme (2257 kJ / kg). Diese Anomalie wirkt mit ihrer spezifischen Wärme zusammen: Sie verhält sich als Speicher und Regulator der Wärme.

Seine Moleküle müssen genügend Wärme absorbieren, um in die Gasphase überzugehen, und die Wärme wird aus ihrer Umgebung gewonnen. besonders auf der Oberfläche, an der sie befestigt sind.

Diese Oberfläche kann zum Beispiel unsere Haut sein. Wenn der Körper trainiert, setzt er Schweiß frei, dessen Zusammensetzung im Wesentlichen Wasser ist (mehr als 90%). Schweiß nimmt Wärme von der Haut auf, um zu verdampfen, wodurch das Gefühl der Abkühlung entsteht. Gleiches gilt für den Boden, der nach dem Verdampfen seiner Feuchtigkeit seine Temperatur senkt und sich kälter anfühlt.

Dielektrizitätskonstante

Das Wassermolekül ist extrem polar. Dies spiegelt sich in seiner Dielektrizitätskonstante (78,4 bei 25 ° C) wider, die höher ist als die anderer flüssiger Substanzen. Aufgrund seiner hohen Polarität ist es in der Lage, eine große Anzahl ionischer und polarer Verbindungen aufzulösen. Aus diesem Grund wird es als universelles Lösungsmittel angesehen.

Diffusion

Diffusion von Wasser durch ein Rohr. Quelle: Pxhere.

Eine der merkwürdigen Anomalien von flüssigem Wasser ist, dass es viel schneller diffundiert als geschätzt durch ein Loch, dessen Größe reduziert ist. Flüssigkeiten erhöhen im Allgemeinen ihre Geschwindigkeit, wenn sie durch engere Rohre oder Kanäle fließen. aber das Wasser beschleunigt sich drastischer und heftiger.

Makroskopisch kann dies beobachtet werden, indem die Querschnittsfläche der Rohre, durch die das Wasser zirkuliert, variiert wird. Und nanometrisch kann das Gleiche getan werden, aber laut Computerstudien werden Kohlenstoffnanoröhren verwendet, um die Beziehung zwischen molekularer Struktur und Dynamik von Wasser zu klären.

Dichte

Zu Beginn wurde erwähnt, dass Eis eine geringere Dichte als Wasser hat. Darüber hinaus erreicht es einen Maximalwert um 4 ° C. Wenn das Wasser unter diese Temperatur abkühlt, beginnt die Dichte abzunehmen und das kältere Wasser steigt an; und schließlich fällt die Dichte nahe 0ºC auf einen Mindestwert, den von Eis.

Eine der Hauptfolgen davon ist nicht nur, dass Eisberge schwimmen können; aber es begünstigt auch das Leben. Wenn das Eis dichter wäre, würde es sinken und die Tiefen bis zum Gefrieren abkühlen. Die Meere würden sich dann von unten nach oben abkühlen und nur einen Wasserfilm für die Meeresfauna zur Verfügung stellen.

Wenn Wasser in die Aussparungen von Gesteinen eindringt und die Temperatur sinkt, dehnt es sich außerdem aus, wenn es gefriert, was seine Erosion sowie seine äußere und innere Morphologie fördert.

Leichtes und schweres Wasser

Während das Eis schwimmt, gefrieren die Oberflächen von Seen und Flüssen, während Fische in den Tiefen weiterleben können, in denen sich Sauerstoff gut auflöst und die Temperatur über oder unter 4 ° C liegt.

Andererseits wird flüssiges Wasser tatsächlich nicht als ideal homogen angesehen, sondern besteht aus Strukturaggregaten mit unterschiedlichen Dichten. An der Oberfläche befindet sich das leichteste Wasser, am Boden das dichteste.

Solche Flüssig-Flüssig- "Übergänge" sind jedoch nur in unterkühltem Wasser und bei Simulationen mit hohen Drücken erkennbar.

Eisausdehnungen

Eine weitere charakteristische Anomalie von Wasser besteht darin, dass Eis seine Schmelztemperatur mit zunehmendem Druck verringert. Das heißt, bei höherem Druck schmilzt das Eis bei niedrigeren Temperaturen (unter 0 ° C). Es ist, als würde sich das Eis durch Druck ausdehnen, anstatt sich zusammenzuziehen.

Dieses Verhalten widerspricht dem anderer Feststoffe: Je höher der Druck auf sie und damit ihre Kontraktion ist, desto höher ist die Temperatur oder Wärme, um zu schmelzen und somit ihre Moleküle oder Ionen abzutrennen.

Erwähnenswert ist auch, dass Eis einer der rutschigsten Feststoffe in der Natur ist.

Oberflächenspannung

Insekt läuft auf der Wasseroberfläche. Quelle: Pixabay.

Obwohl nur einige Anomalien erwähnt wurden (von den ungefähr 69 bekannten und vielen anderen zu entdeckenden), weist Wasser eine ungewöhnlich hohe Oberflächenspannung auf.

Viele Insekten nutzen diese Eigenschaft, um auf dem Wasser laufen zu können (oberes Bild). Dies liegt daran, dass sein Gewicht nicht genügend Kraft ausübt, um die Oberflächenspannung des Wassers zu brechen, dessen Moleküle sich nicht ausdehnen, sondern zusammenziehen und verhindern, dass die Fläche oder Oberfläche zunimmt.

Verweise

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemie. (8. Aufl.). CENGAGE Lernen.
2. Kinder & Wissenschaft. (2004). Die Anomalie des Wassers. Wiederhergestellt von: vias.org
3. Chaplin Martin. (2019). Anomale Eigenschaften von Wasser. Wasserstruktur und Wissenschaft. Wiederhergestellt von: 1.lsbu.ac.uk.
4. ChimiSpiega. (2. Februar 2014). Wasser: der seltsame Fall um uns herum. Chimicare. Wiederhergestellt von: chimicare.org
5. Nilsson, A. & Pettersson, LG (2015). Der strukturelle Ursprung anomaler Eigenschaften von flüssigem Wasser. Nature Communications, 6, 8998. doi: 10.1038 / ncomms9998
6. IIEH. (2. Juli 2014). Wasseranomalien. Evolution und Umwelt: Forschungsinstitut für menschliche Evolution AC Wiederhergestellt von: iieh.com
7. Pivetta Marcos. (2013). Die seltsame Seite des Wassers. FAPESP-Forschung. Wiederhergestellt von: revistapesquisa.fapesp.br