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Warum ist Wasser einzigartig?

Der kleinste Baustein des Wassers ist das Wassermolekül. Es besteht aus zwei Wasserstoff-Atomen, die V-förmig in einem Winkel von 104° an ein Sauerstoff-Atom gebunden sind. Es ist polar, d. h. das Sauerstoff-Atom ist negativ geladen während die zwei Wasserstoff-Atome positiv geladen sind. Das ist der Grund dafür, dass Wasser so viele Stoffe löst, wie z. B. Salz, deren Bausteine auch elektrische Ladungen tragen. Öl hingegen ist nicht in Wasser löslich, weil es aus ungeladenen Molekülen besteht.

Weiterhin ziehen sich Wassermoleküle durch Wasserstoffbrücken relativ stark an. Diese Bindungen sind zehnmal schwächer als typische chemische Bindungen, aber stark genug, um Wasser bei Raumtemperatur flüssig vorliegen zu lassen, während eine ähnliche Verbindung ohne Wasserstoffbrücken – der Schwefelwasserstoff – gasförmig vorliegt. Wasserstoffbrücken sind auch für die hohe Oberflächenspannung von Wasser und seine hohe spezifische und latente Wärme verantwortlich.

Die Form des Moleküls und die Wasserstoffbrücken haben zur Folge, dass Eis eine sehr offene hexagonale (sechsseitige) Kristallstruktur aufweist, die durch die riesige Vielfalt an Schneeflocken schön dargestellt wird. Diese Struktur nimmt viel Platz ein, kollabiert aber beim Schmelzen, so dass flüssiges Wasser eine höhere Dichte hat. Deshalb schwimmt Eis. Forschungsarbeiten zeigen, dass Wassermoleküle im flüssigen Zustand Cluster bilden, insbesondere eine käfigartige Struktur mit sechs Molekülen. Dies ist für viele der einzigartigen Eigenschaften des Wassers verantwortlich.

Andere Forschungsarbeiten zeigen, dass es beim Wasser wahrscheinlich zwei Arten von Wasserstoff-Bindungen gibt, die eine etwa doppelt so stark wie die andere. Dies könnte erklären, warum Wasser in einem ziemlich großen Bereich flüssig ist. Beim Schmelzen werden nur die schwächeren Bindungen aufgebrochen, während beim Sieden auch die stärkeren Bindungen aufgebrochen werden müssen. Die Forschungsergebnisse zeigen auch, dass der Wechsel von starken zu schwachen Bindungen bestimmte Temperaturen erfordert, von denen eine 37 °C beträgt. Das ist unsere Körpertemperatur, was auf eine der vielen komplexen Design-Eigenschaften hindeutet, die wir Menschen besitzen.