WASSER

WASSER – DAS WICHTIGSTE LÖSUNGSMITTEL
Einleitung
Es weiß wohl jeder, dass ohne Wasser kein Leben auf der Erde möglich ist. Für uns ist
Wasser etwas Selbstverständliches und es ist uns gar nicht bewusst, welche Unmengen wir
an Wasser verbrauchen.
Wasser ist die häufigste Substanz in lebenden Systemen und bildet bis 70% oder mehr des
Gewichts der meisten Organismen. Die ersten lebenden Organismen entstanden in einem
wässrigen Klima, und der Gang der Evolution ist durch die Eigenschaften des wässrigen
Mediums bestimmt worden, in dem das Leben anfing.
70% der Erdoberfläche sind mit Wasser bedeckt.
Auch der menschliche Körper besteht zu etwa 70 % aus Wasser (Neugeborene 75 %,
Erwachsene 65 %, alte Menschen 60 %).
Zusammensetzung des Wassers
Wasser ist eine Verbindung aus Wasserstoff und Sauerstoff Oxyd des Wasserstoffes. Die
chem. Bezeichnung lautet: H2O.
H ist die Bezeichnung für Wasserstoff. 2 ist das Anzahlverhältnis von Sauerstoff zu
Wasserstoff, also 2 Wasserstoffatome und 1 Sauerstoffatom. O ist die Bezeichnung für
Sauerstoff.
Wasser entsteht bei Verbrennung von Wasserstoff, dazu muss ergänzt werden, dass
Wasserstoff zwar brennbar ist, aber eine Flamme in ihm erstickt. D. h. Wasserstoff kann nur
dort brennen, wo stetig Sauerstoff hinzutritt, aber auch bei einer Reduktion (Umkehrung
einer Oxidation) von verschiedenen Metall- Oxiden mit Wasserstoff. Wasserstoff ist also ein
Reduktionsmittel.
Die Anomalie bzw. das unregelmäßige Verhalten des Wassers im
Vergleich zu den meisten anderen Stoffen
Wasser hat seine größte Dichte bei 4 °C, bei höherer und tieferer Temperatur dehnt es sich
aus. Darum steigt wärmeres Wasser nach oben und schwimmen Eisberge immer obenauf.
Da Wasser große Wärmemengen speichern kann, mildert es die Temperaturschwankungen
der Erde. Es ist fähig, viele andere chemische Stoffe, auch gasförmige, aufzulösen, so dass
es in der Natur selten rein vorkommt. Die Anziehungskräfte zwischen Wassermolekülen und
die geringfügigen Tendenz des Wassers zu ionisieren sind bei chemischen Reaktionen und
im Stoffwechsel der Organismen von entscheidender Bedeutung für Struktur und Funktion
der Stoffe.
Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Wassermolekülen sind die Ursache, dass Wasser
eine Flüssigkeit ist und bei tiefen Temperaturen zu Eis wird.
Wasser – das wichtigste Lösungsmittel
Eine Eigenschaft des Wassers spielt in Labor und Technik eine besondere Rolle: Wasser ist
ein gutes Lösungsmittel für viele feste, flüssige und gasförmige Stoffe. Auch für Lebewesen
ist diese Eigenschaft sehr wichtig, denn jede Zelle enthält Wasser, in dem viele
lebenswichtige Stoffe gelöst sind.
Die einzelnen Stoffe lösen sich in sehr unterschiedlichen Mengen. Unter der Löslichkeit einer
Substanz versteht man, wie viel Gramm sich maximal in 100g Wasser lösen lassen.
Löslichkeit L:
m ( gelöster Stoff )
L =
m ( Wasser )
g
Einheit =
100 g
Die Löslichkeit hängt von der Temperatur ab. Bei Feststoffen nimmt die Löslichkeit mit
steigender Temperatur meist zu, bei Gasen sinkt die Löslichkeit mit steigernder Temperatur.
Zum Beispiel: In 100 ml Wasser lösen sich bei 20 Grad C 204 g Zucker
Gehaltsangaben – Der Gehalt eines Stoffes in einer Lösung kann auf unterschiedlicher
Weise angegeben werden. Man benutzt oft die Größen MASSENANTEIL und
MASSENKONZENTRATION. Der Massenanteil wird in Prozent angegeben.
Massenanteil w:
m (gelöster Stoff)
w = x 100 %
m (gelöster Stoff) + m (Wasser)
Einheit: %
Massenkonzentration ß:
m (gelöster Stoff)
ß =
V (Lösung)
mg g
Einheit: oder
l l
Zu beachten gilt aber, dass immer nur eine bestimmte Menge des Stoffes in Wasser gelöst
werden kann. Gibt man dann noch mehr von dem Stoff dazu, bleibt er ungelöst am Boden
liegen. Man nennt dies Bodensatz. Welche Menge man in Wasser lösen kann, hängt vom
jeweiligen Stoff und der Temperatur ab.
Wie bereits aufgeführt ist das meist verwendete Lösungsmittel Wasser. Bei vielen
Anwendungen sollen Stoffe nach dem Verdunsten des Lösungsmittel nicht mehr in Wasser
löslich sein (Nagellack, Klebstoff, Farbstoffe, etc.).
Aber auch viele alltägliche Stoffe wie Fette, Öle, etc. sind nicht in Wasser löslich.
Für nicht wasserlösliche Stoffe benötigt man unpolare Lösungsmittel.
Wasser ist ein polares Lösungsmittel. Polar = gegensätzlich bei wesenhafter
Zusammengehörigkeit. Polare Stoffe lösen sich in Wasser durch die Dipol-Dipol-
Wechselwirkungen auf. Unpolare Moleküle sind dagegen aufgrund mangelnder Wasserstoff-
Brücken zu Wasser schlecht löslich . Sie neigen deshalb dazu sich zusammen zu bündeln
und grenzen sich vom Wasser ab.
Wasser (polar) unpolare Lösungsmittel
Wassermoleküle ziehen
einander an, da im
Wassermolekül die
Elektronen ungleich verteilt
sind.
Sie verdrängen unpolare
Moleküle – daher sammelt
sich z. B. Benzin und Öl an
der Oberfläche von Wasser
(geringere Dichte).
Polare Stoffe lassen sich mischen, da sich die
einzelnen Moleküle jeweils mit ihren
gegenteilig geladenen Teilen zueinander
ausrichten.
Unpolare Moleküle lassen sich mischen, da
sie einander weder abstoßen noch anziehen
(sie sind einander “egal”).
Benzin und Öle schwimmen an der
Oberfläche, da sie eine geringere Dichte
haben, chlorierte Wasserstoffe “gehen unter”,
da sie eine größere Dichte haben.
Unpolare Lösungsmittel sind:
Benzin: Gemisch flüssiger
Kohlenwasserstoffe
Chlorierte Kohlenwasserstoffe
Alkohole (da sie auch einen unpolaren
Kohlenwasserstoff-Teil haben)
Wasser hat auch einen höheren Schmelzpunkt, Siedepunkt und eine höhere
Verdampfungswärme als die meisten anderen allgemeinen Lösungsmittel. Wasser ist somit
ein hervorragendes Lösungsmittel für viele Substanzen.
Wasser löst Stoffe mit geladenen Teilchen (Ionen)
Wie bereits geschildert, ist Wasser ein polares Lösungsmittel. Es löst schnell die meisten
Stoffe auf, die entweder geladen oder polar sind. Man nennt Stoffe, die sich leicht im Wasser
auflösen hydrophil ( griechisch, wasserliebend). Demgegenüber sind nichtpolare
Lösungsmittel wie Chloroform und Benzol, schlechte Lösungsmittel für polare Stoffe aber
lösen leicht die hydrophoben, nichtpolaren Moleküle wie Lipide und Wachse auf.
Wasser löst auch Salze wie NaCl auf, indem es die Na- und Cl-Ionen hydratisiert und
stabilisiert, die elektrostatischen Bindungen zwischen ihnen schwächt und folglich ihrer
Tendenz entgegenwirkt, sich in einem kristallenen Gitter zu verbinden.
Allerdings sind nicht alle Salze gleich gut in Wasser löslich. Manche Ionen verbinden sich
wieder und bilden so einen unlöslichen Niederschlag / Bodensatz ( = Präzipitat ). Solche
recht schlecht löslichen Salze sind z.B. die Silberhalogenide wie Silberchlorid oder
Silberiodid.
Wasser löst auch unpolare Gase
Die Moleküle wichtigen Gase wie z.B. CO2, O2 und N2 sind unpolar. In O2 und im N2 sind die
Elektronen gleichmäßig bei beiden Atome verteilt. Im CO2 ist jede Bindung
C=O polar, aber die zwei Dipole kompensieren sich räumlich. Deshalb ist die
Wasserlöslichkeit deutlich besser als bei anderen Gasen. Dies hängt auch mit der speziellen
Hydrathülle um ein CO2-Molekül zusammen.
*Die Pfeile bedeuten elektrische Dipole;
Man beachte, daß sich polare Moleküle weit besser bei niedrigen Temperaturen in Wasser lösen wie bei relativ
hohen Temperaturen
Verteilung hydrophober Moleküle in Wasser
Wenn Wasser mit Benzol oder Hexan gemischt wird, bilden sich zwei Phasen. Keine der
beiden Flüssigkeiten ist in der anderen löslich. Nichtpolare Lösungsmittel wie Benzol und
Hexan sind hydrophob und können deshalb keine H-Brücken zu Wassermolekülen ausbilden
und stören das regelmäßige “Gitter” der Wassermoleküle.
Das System entmischt sich, da sich die hydrophoben Moleküle sich immer mehr
zusammenlagern.
Bei Molekülen, die sowohl hydrophile, wie hydrophobe Bereiche haben bilden sich “unechte”
Lösungen, sogenannte Emulsionen aus. Dabei ordnen sich diese Moleküle, die oft wie bei
den Fetten und Fettsäuren einen hydrophilen Kopf und hyrophoben Schwanz haben so an ,
daß sich die hydrophoben Bereiche (van-der- Waals-Kräfte) zunehmend aneinanderlagern
und die hydrophilen Bereiche dem Wasser zugeordnet werden (in der Abbildung negativ
geladene Carboxylreste). Daraus entstehen dann sogenannte Micellen, die die hydrophoben
Bereich vollständig vom Wasser verbergen. Solche ambivalenten Moleküle nennt man
Emulgatoren (= Lösungsvermittler).
Emulgatoren spielen eine wichtige Rolle bei der Stabilität von Gemischen hydrophober und
hydrophiler Stoffe, die sich normalerweise entmischen würden. Milch, Salben oder
Kosmetika sind solche stabilen Emulsionen, bei denen Emulgatoren die hydrophoben
Moleküle von den hydrophilen abschirmen

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