Spezifische Wärmekapazität, Verdampfungswärme und Dichte von Wasser

Stell dir vor, wir haben einen heißen Tag. Du warst gerade eine Weile draußen in der Sonne und hast ziemlich viel geschwitzt. Dann setzt du dich hin und schnappst dir ein Glas mit kaltem Eiswasser. Du bemerkst träge sowohl die Schweißperlen auf deinem Arm und die Eiswürfel, die oben in deinem Wasserglas schwimmen. Dank deiner harten Arbeit beim Studium der Eigenschaften von Wasser, bemerkst du, dass sowohl der Schweiß auf deinem Arm und die schwimmenden Eiswürfel in deinem Glas Beispiele für die erstaunlichen Fähigkeiten von Wasserstoffbrückenbindungen sind.

Wie funktioniert das? Wassermoleküle bilden sehr leicht Wasserstoffbrückenbindungen, schwache Verbindungen zwischen den partiell positiven und partiell negativen Enden der Moleküle. Wasserstoffbrückenbindungen erklären sowohl die Wirksamkeit von Verdunstungskälte (warum Schwitzen dich herunterkühlt) und die geringe Dichte von Eis (warum Eis schwimmt).

Hier werfen wir einen genaueren Blick auf die Rolle von Wasserstoffbrückenbindungen bei Temperaturveränderungen, Einfrieren und Verdunstung von Wasser.

Wasser besitzt in allen drei Aggregatzuständen—fest, flüssig und gasförmig—aufgrund der Fähigkeit seiner Moleküle, untereinander Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden, einzigartige chemische Eigenschaften. Da Lebewesen, vom Menschen bis zu Bakterien, einen hohen Wasseranteil besitzen, ist das Verständnis dieser einzigartigen chemischen Eigenschaften von Wasser in seinen drei Aggregatzutänden der Schlüssel zur Biologie.

In flüssigem Wasser werden ständig Wasserstoffbrückenbindungen gebildet und aufgebrochen, wenn Wassermoleküle sich aneinander vorbei bewegen. Das Aufbrechen dieser Bindungen wird durch die Bewegungsenergie (kinetische Energie) der Wassermoleküle aufgrund der im System enthaltenden Wärme verursacht.

Wenn die Wärme ansteigt (zum Beispiel beim Kochen von Wasser) bewirkt die höhere kinetische Energie der Wassermoleküle, dass die Wasserstoffbrückenbindungen komplett aufbrechen und die Wassermoleküle in die Luft als Gas entweichen. Wir können dieses Gas als Wasserdampf oder Nebel beobachten.

Fällt andererseits die Temperatur und das Wasser gefriert, bilden die Wassermoleküle eine Kristallstruktur, die durch Wasserstoffbrückenbindungen aufrechterhalten wird (da zu wenig Energie übrig ist, um die Wasserstoffbrückenbindungen aufzubrechen). Diese Strukur macht, dass Eis eine geringere Dichte als flüssiges Wasser besitzt.

Die geringere Dichte von Wasser in seiner festen Form lässt sich auf die Art der Ausrichtung der Wasserstoffbrückenbindungen im Eis zurückführen. Vor allem werden die Wassermoleküle im Eis weiter auseinander geschoben als im flüssigen Wasser.

Das bedeutet, dass Wasser sich ausdehnt, wenn es friert. Du hast das vielleicht schon einmal selbst beobachtet, wenn du einen verschlossenen Glasbehälter mit einem hauptsächlich wässrigen Lebensmittel (Suppe, Limonade, usw.) in den Gefrierschrank gelegt hast, und er geplatzt oder explodiert ist, weil das flüssige Wasser in ihm gefroren ist und sich ausgedehnt hat.

Bei den meisten anderen Flüssigkeiten, erlaubt Festwerden—was passiert, wenn die Temperatur sinkt und die kinetische Energie (Bewegungsenergie) der Moleküle weniger wird—den Molekülen, enger als in der flüssigen Form gepackt zu werden, was der festen Form eine größere Dichte verleiht als der flüssigen Form. Wasser ist eine Anomalie (d. h. eine seltsame Ausnahme) mit seiner niedrigeren Dichte als Feststoff.

Aufgrund seiner geringeren Dichte schwimmt Eis auf der Oberfläche von flüssigem Wasser, wie wir es bei einem Eisberg oder bei Eiswürfeln in einem Glas Eistee sehen können. In Seen und Teichen bildet sich eine Schicht Eis auf dem flüssigen Wasser und schafft so eine isolierende Barriere, die Tiere und Pflanzen unten im Teich vor dem Erfrieren schützt.

Warum ist es schädlich für Lebewesen zu gefrieren? Wir können das verstehen, wenn wir an den Fall mit der Limonadenflasche, die im Gefrierschrank zerspringt, zurückdenken. Wenn eine Zelle gefriert, dehnt sich ihr wässriger Inhalt aus und ihre Membran (genau wie die Limonadenflasche) zerbricht in Stücke.

Es wird viel Wärme benötigt, um die Temperatur von flüssigem Wasser zu erhöhen, da ein Teil der Wärme dafür gebraucht wird, um die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Molekülen aufzubrechen. Mit anderen Worten: Wasser besitzt eine hohe spezifische Wärmekapazität, welche definiert wird als die Menge an Wärme, die gebraucht wird, um die Temperatur von einem Gramm einer Substanz um ein Grad Celsius zu erhöhen. Die Wärmemenge, die benötigt wird, um die Temperatur von 1 g Wasser um 1°C zu erhöhen, hat ihren eigenen Namen, die Kalorie.

Wegen seiner hohen Wärmekapazität kann Wasser Veränderungen der Temperatur minimieren. Die spezifische Wärmekapazität von Wasser ist zum Beispiel etwa fünfmal größer als die von Sand. Das Land kühlt schneller als das Meer, sobald die Sonne untergeht, und das langsam abkühlende Wasser kann Wärme an das nahegelegende Land während der Nacht abgeben. Wasser wird auch durch warmblütige Tiere verwendet, um Wärme in ihren Körpern zu verteilen. Dies funktioniert ähnlich dem Kühlsystem eines Autos: Wärme wird von warmen zu kalten Orten transportiert, was dem Körper hilft, eine gleichmäßige Temperatur zu halten.

So wie viel Wärme benötigt wird, um die Temperatur von flüssigem Wasser zu erhöhen, braucht man auch eine ungewöhnliche Menge an Wärme, um eine bestimmte Menge an Wasser zu verdampfen, weil die Wasserstoffbrückenbindungen aufgebrochen werden mussen, damit die Moleküle sich als Gas verflüchtigen können. Das bedeutet, dass Wasser eine hohe Verdampfungswärme besitzt. Darunter versteht man die Energiemenge, die benötigt wird, um ein Gramm einer Flüssigkeit bei konstanter Temperatur in ein Gas umzuwandeln.

Die Verdampfungswärme von Wasser liegt bei etwa 540 cal/g bei 100 °C, dem Siedepunkt von Wasser. Beachte, dass einige Wassermoleküle – diejenigen, die eine hohe kinetische Energie haben – von der Oberfläche des Wassers auch bei niedrigeren Temperaturen entweichen.

Wenn Wassermoleküle verdampfen oder verdunsten, wird die Oberfläche, von der sie verdunsten, kühler. Dieser Vorgang wird Verdunstungskälte genannt. Das liegt daran, dass die Moleküle mit der höchsten kinetischen Energie als Wasserdampf verloren gehen (Schau dir das Video zur Verdunstungskälte für mehr Informationen an). Bei Menschen und anderen Organismen kühlt die Verdunstung von Schweiß, der zu 99 % aus Wasser besteht, den Körper, um eine konstante Temperatur aufrechtzuerhalten.