Frage von Maurice1503, 68

Was sind die Eigenschaften von Wasser (nass,durchsichtig)?

Antwort
von SLS197, 23

Physikalische Eigenschaften

Wasser besitzt eine molare Masse von 18,01528 g/mol.

Die Eigenschaften des Wassers sind besonders von der dreidimensionalen Verkettung der Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen bestimmt, ohne die eine Substanz mit einer so geringenmolaren Masse wie Wasser ganz andere Eigenschaften hätte. Das gilt besonders für den hohen Schmelz- und Siedepunkt sowie für die Dichte, die unter Normaldruck bei 3,98 °C mit 0,999975 kg/dm3 am höchsten ist (siehe Dichte und Dichteanomalie).

Von 1901 bis 1964 wurde die Einheit Liter mit dem Volumen von 1 kg Wasser bei der Temperatur seiner höchsten Dichte unter Normaldruck definiert.

Die physikalischen Eigenschaften des Wassers sind auch stark von der Temperatur und dem Druck abhängig. So nehmen Oberflächenspannung und Viskosität mit zunehmender Temperatur ab. Ebenso ist die Kompressibilität temperaturabhängig.

Aggregatzustände

Vereinfachtes Phasendiagramm von Wasser.

Phasendiagramm des

 

Eises

 

mit einigen der 18 bis zum Januar 2004 entdeckten Eisformen.

Unter Normalbedingungen ist Wasser, wie im Phasendiagramm erkennbar, eine Flüssigkeit. Es ist der einzige bekannte Stoff, der auf der Erdoberfläche (siehe Hydrosphäre) in nennenswerten Mengen in allen drei klassischen Aggregatzuständen existiert. Das Phasendiagramm zeigt dabei, inwieweit der Aggregatzustand des Wassers von Temperatur und Druck abhängt. Der kritische Punkt des Wassers liegt bei 373,946 °C und 2,2064 · 107 Pa (322 kg/m³), der Tripelpunkt bei 0,01 °C und 611,657 ± 0,010 Pa.

Für die Eigenschaften und Besonderheiten der gasförmigen und festen Aggregatzustände des Wassers siehe die Artikel Wasserdampf und Eis. Bei überkritischem Wasser, also oberhalb des kritischen Punktes, ist eine Unterscheidung, ob ein Stoff flüssig oder gasförmig ist, nicht möglich.

Schmelz- und Siedepunkt

Im Vergleich zu chemisch analogen Verbindungen wie Schwefelwasserstoff (−61 °C), Selenwasserstoff (−41 °C) und Tellurwasserstoff (−2 °C) hat Wasser einen relativ hohen Siedepunkt. Die Zunahme der Siedepunkte liegt an der ebenfalls zunehmenden molaren Masse und der dadurch höheren Energiemenge, die aufgebracht werden muss, um den jeweiligen Stoff in den gasförmigen Aggregatzustand zu überführen. Methan hat beispielsweise eine dem Wasser recht ähnliche molare Masse und siedet unter Normaldruck bei −162 °C. Nimmt man die molare Masse des Wassers als einziges Merkmal, so müsste es bei −80 °C sieden und wäre also bei Raumtemperatur gasförmig. Der Siedepunkt liegt jedoch bei 100 °C, somit um 180 K höher.

Das gleiche Bild zeigt sich auch beim Schmelzpunkt; er beträgt −86 °C bei Schwefelwasserstoff, −66 °C bei Selenwasserstoff und −49 °C bei Tellurwasserstoff. Bei Wasser müsste er nach der molaren Masse bei etwa −100 °C liegen, tatsächlich liegt er aber bei 0 °C. Vergleicht man den Bereich, in dem Wasser als Flüssigkeit vorkommt, so ergibt sich eine Spanne von 20 K für den Fall, dass man allein die molare Masse betrachtet. In der Realität ist diese Spanne mit 100 K jedoch erheblich größer.

Verkettung der Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen (

1

) zu einem Cluster

All diese Besonderheiten ergeben sich durch den Aufbau des Wassermoleküls und dessen Neigung, über Wasserstoffbrückenbindungen vernetzte Cluster wie im Bild zu bilden. Diese zusätzlichen Bindungen, die bei den anderen Stoffen nicht vorkommen, müssen bei jedem Phasenübergang zusätzlich überwunden und berücksichtigt werden.

Wasser siedet also unter Normalbedingungen bei 100 °C und Eis schmilzt bei 0 °C. Wasser erstarrt demnach bei 0 °C; es kann allerdings auch bei Normalbedingungen unter 0 °C noch als Flüssigkeit vorliegen. Es handelt sich dann um unterkühltes Wasser. Hochreines Wasser kann theoretisch bis zu -48 °C flüssig bleiben[5] (vgl. #Neue Erkenntnisse). Bei Drücken zwischen 1000 und 2000 bar erstarrt Wasser unterhalb von −138 °C im amorphen Zustand.[6] Umgekehrt kann Eis auch für kurze Zeit über 0 °C noch fest bleiben, solange diese Temperatur nicht an der Oberfläche erreicht wird.[7][8] Der Siedepunkt des Wassers ist stark vom Sättigungsdampfdruck abhängig. Die Siedetemperatur sinkt bei Annäherung an den Tripelpunkt zusammen mit dem Siededruck und beide erreichen an diesem Punkt ihr Minimum. Wasser lässt sich zudem aber auch etwas über seinen Siedepunkt hinaus erhitzen, was man als Siedeverzug bezeichnet.

Auch im Wasser gelöste Stoffe verändern Siede- und Schmelzpunkt. So weist Wasser eine molare Schmelzpunkterniedrigung von 1,853 K·kg/mol und eine molare Siedepunkterhöhung von 0,513 K·kg/mol auf.

Früher wurde die Celsius-Temperaturskala über Schmelz- und Siedepunkt von Wasser definiert. Durch die aktuelle Definition der Celsius-Skala über die Kelvin-Skala sind Schmelz- und Siedepunkt von Wasser nicht mehr genau 0 °C und 100 °C, sondern liegen bei 0,002519 °C und 99,9839 °C (99,9743 °C nach ITS-90).[9]

Eine Besonderheit beim Erstarren von Wasser ist der nach seinem Entdecker benannte Mpemba-Effekt, wonach heißes Wasser unter speziellen Bedingungen schneller gefriert als kaltes.

Erhitzen von Wasser

Siedendes Wasser in einem Kochtopf

Wird Wasser in einem Topf auf einer Herdplatte erhitzt, erwärmt sich das Wasser am Boden schneller als das an der Oberfläche. So bildet sich ein labiler Temperaturgradient aus, der jedoch bald weitgehend durch Konvektionverschwindet. Erreicht das Wasser am Boden die Siedetemperatur, bilden sich dort Wasserdampfblasen. Beim Aufsteigen kühlen sie sich wieder ab und fallen zusammen. Sie erzeugen das typische prasselnde Geräusch, das kurz vor dem Sieden zu hören ist. Bei weiterer Wärmezufuhr kollabieren nur noch die kleinen Blasen, die großen steigen auf. Das Siedegeräusch wird leiser, um beim kompletten Sieden des Wassers ganz zu verschwinden.

Erhitzen von Wasser auf der Erde (links) und in einem Raumschiff (Wärmequelle ist unten), siehe auchVideodatei zum Wasserkochen unter Schwerelosigkeit

Unter Schwerelosigkeit steigen die Dampfblasen im Wasser nicht auf. Stattdessen verharren sie in der Nähe des Topfbodens und konglomerieren zu größeren Blasen und schließlich zu einer einzigen großen Blase. Die fehlende Konvektion und die verringerte Wärmeleitung durch die Dampfblasen erschweren das schnelle Kochen von Wasser in einem Raumschiff.

Sublimation und Resublimation

Im Temperaturbereich von etwa 0 K bis 273,16 K (−273,15 °C bis +0,01 °C) und einem Druckbereich von Vakuum bis ungefähr 0,006 bar, also im Bereich unterhalb des Tripelpunktes, existiert Wasser nicht in flüssiger Form, sondern nur gasförmig und fest. Eis geht in diesem Bereich, also am Sublimationspunkt, direkt in den gasförmigen Zustand über, ohne dass eine Aggregatzustandsänderung in eine Flüssigkeit stattfindet. Dieser Vorgang wird als Sublimation bzw. in Gegenrichtung als Resublimation bezeichnet. Im Vakuum findet die Sublimation bis fast 0 Kelvin (−273,15 °C) statt. Die Obergrenze ist hingegen durch den Tripelpunkt gegeben.

Spezifische Wärmekapazität

Flüssiges Wasser hat eine sehr hohe spezifische Wärmekapazität von etwa 4200 J/(kg·K) (temperaturabhängig zwischen 4218 und 4178 J/(kg·K)). Man braucht also für die Erhitzung eines Kilogramms um ein Kelvin 4,2 Kilojoule an thermischer Energie. Das bedeutet, dass Wasser im Vergleich mit anderen Flüssigkeiten recht viel Energie aufnehmen kann, ohne dass sich die Temperatur dabei deutlich erhöhen würde. Dadurch wird auch beim Abkühlen ebenso viel Energie wieder frei.

Erhitzt man 1 kg Wasser (~ 1 Liter) von 15 °C auf 100 °C, dann benötigt man also 4200 J/(kg·K) · 85 K · 1 kg = 357 kJ. 3,6 MJ sind eine Kilowattstunde (kWh). Um einen Liter Wasser von Leitungstemperatur unter normalem Druck zum Kochen zu bringen, braucht man also etwa 0,1 kWh Energie.

Wasserdampf (bei 100 °C) hat eine spezifische Wärmekapazität von 1870 J/(kg·K) und Eis (bei 0 °C) 2060 J/(kg·K). Feste Stoffe haben in der Regel eine deutlich niedrigere spezifische Wärmekapazität. So hat etwa Blei eine Wärmekapazität von 129 J/(kg·K), Kupfer eine von 380 J/(kg·K).

Schmelz- und Verdampfungswärme

Für das Auftauen, also die Umwandlung von 0 °C kaltem Eis in 0 °C kaltes Wasser, muss eine Energie von 333,5 kJ/kg aufgebracht werden. Mit der gleichen Energiemenge kann man dieselbe Menge Wasser von 0 °C auf 81 °C erwärmen. Zur Umwandlung von 100 °C warmem Wasser in 100 °C warmen Dampf werden 2257 kJ/kg benötigt. Um 0 °C kaltes Wasser in 100 °C warmen Dampf zu verwandeln, benötigt man 100 K · 4,19 kJ/(kg·K) + 2257 kJ/kg = 2676 kJ/kg.

Die spezifische Verdampfungswärme des Wassers liegt wesentlich höher als die von anderen Flüssigkeiten. Methanol hat eine Verdampfungswärme von nur 845 kJ/kg und Quecksilber sogar von nur 285 kJ/kg. Vergleicht man allerdings die molaren Verdampfungswärmen, so hat Quecksilber mit 57,2 kJ/mol eine höhere als Wasser mit 40,6 kJ/mol.

In der Meteorologie kommen der Schmelz- und Verdampfungswärme im Rahmen der latenten Wärme eine große Bedeutung zu.

Wärmeleitfähigkeit

Wasser hat im Vergleich zu anderen Flüssigkeiten eine hohe Wärmeleitfähigkeit, aber im Vergleich mit einigen Metallen eine sehr geringe. Die Wärmeleitfähigkeit flüssigen Wassers nimmt mit steigender Temperatur zu, Eis leitet Wärme jedoch wesentlich besser als flüssiges Wasser.

Bei 20 °C weist Wasser eine Wärmeleitfähigkeit von 0,60 W/(m·K) auf. Zum Vergleich: Kupfer 394 W/(m·K) und Silber 429 W/(m·K). Selbst der schlechteste Wärmeleiter unter allen Metallen, Bismut kommt auf 7,87 W/(m·K).

Die Wärmeleitfähigkeit des Wassers in Form von Eis bei −20 °C beträgt immerhin 2,33 W/(m·K).

Dichte und Dichteanomalie

 

Hauptartikel: Dichteanomalie

Dichte des Wassers in Abhängigkeit von der Temperatur

Wasser hat eine Dichte von rund einem Kilogramm pro Liter (ein Liter entspricht einem Kubikdezimeter). Dieses runde Verhältnis ist kein Zufall: es geht auf die Einheit Grave zurück, welche eine der historischen Wurzeln des heutigen internationalen Einheitensystems (SI) bildet. Ein Grave wurde als die Masse von einem Liter Wasser beim Gefrierpunkt definiert.

Bei Normaldruck hat Wasser seine größte Dichte bei 3,98 °C und zeigt damit eine Dichteanomalie. Diese besteht darin, dass sich Wasser unterhalb von 3,98 °C bei weiterer Temperaturverringerung, auch beim Wechsel zum festen Aggregatzustand, wieder ausdehnt, was man nur von wenigen Stoffen kennt.

Neben der Temperatur beeinflussen auch im Wasser gelöste Stoffe dessen Dichte, was man mit einem Aräometer messen kann. Da sich die gelösten Teilchen zwischen den Wassermolekülen verteilen und die Volumenzunahme gering ist, steigt dadurch die Dichte an. Die Zunahme der Dichte entspricht dabei in etwa der Masse an gelöstem Stoff pro Volumen und spielt eine wichtige Rolle für großräumige Wasserbewegungen, zum Beispiel im Rahmen der thermohalinen Zirkulation oder der Dynamik von Süßwasserlinsen.

https://de.wikipedia.org/wiki/Eigenschaften_des_Wassers#Physikalische_Eigenschaf...

Kommentar von botanicus ,

Sorry, aber ich finde es Quatsch, statt eines Links solche Datenmengen hier abzulegen.

Kommentar von SLS197 ,

Wenn man zu bequem ist um zu googeln ist man auch zu bequem einen Link anzuklicken. Also kopier ich gleich alles rein, brauch ers nur noch lesen, wenn er dazu nicht auch zu bequem ist.

Expertenantwort
von botanicus, Community-Experte für Chemie, 24

Wenn Du den Stoff meinst, solltest Du selber darauf kommen. Übernimm nicht die Dinge, die in Wirklichkeit das Wassermolekül betreffen. Eine Molare Masse von 18 ist keine Eigenschaft des Wassers, nur eine des Wassermoleküls.

Antwort
von SergeantPinpack, 22

flüssig (bei Zimmertemperatur und "normalem" Druck)

Antwort
von Forfightandwin, 22

Geruchs und farblos

Antwort
von ScienceFan, 5

polar,geruchlos,farblos,flüssig

Siedepunkt:100°C
Schmelzpunkt:0°C

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