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Warum ist Wasser flüssig? - In Chemie die Wirkung vom Dipol erklären

Wasser ist im Temperaturbereich zwischen 0° C und 100° C flüssig. Das ist schwer zu verstehen, da Wassermolekühle sehr leicht sind. So können Sie in Chemie erklären, warum Wasser flüssig ist.

Die Dipole halten die Moleküle zusammen.
Die Dipole halten die Moleküle zusammen.

Warum etwas flüssig ist

Wenn Sie in Chemie Untersuchungen zu den Aggregatszuständen machen, werden Sie schnell eine Verbindung zwischen der molaren Masse, dem Schmelz- und dem Siedepunkt erkennen. Die Eigenschaft, bei Raumtemperatur flüssig zu sein, können Sie gut an den Alkanen zeigen. Dabei fällt sofort auf, dass Wasser eigentlich nicht flüssig sein sollte.

  • Das Alkan Methan ist klein und leicht, es besteht aus 4 Atomen Wasserstoff und einem Kohlenstoffatom, die molare Masse beträgt 16,043 g/mol. Methan ist ab -162 °C gasförmig und erstarrt bei -182 °C. Es ist also nur in einem Temperaturbereich von 20° flüssig.
  • Heptan wechselt bei einer vergleichbaren Temperatur wie Wasser vom flüssigen Aggregatzustand zum gasförmigen. Das Molekül hat eine molare Masse von 100,21 g/mol und ist mit 7 Atomen Kohlenstoff und 16 Atomen Wasserstoff nahezu riesig, verglichen mit einem Wassermolekül. Der Erstarrungspunkt bei Heptan ist  -91 °C. Sie sehen, bei der Alkankette nimmt der Bereich, in dem ein Stoff flüssig ist, mit zunehmender Länge der Kette zu.
  • Dodecan mit 12 Atomen Kohlenstoff und 26 Atomen Wasserstoff hat eine molare Masse von 170,34 g/mol und einen Erstarrungspunkt von -10 °C, der recht nahe bei dem von Wasser liegt.
  • Wasser verhält sich also ganz anders. Die molare Masse von Wasser beträgt 18,01528 g/mol, das Molekül besteht aus 2 Atomen Wasserstoff und einem Atom Sauerstoff. Das Molekül ist also klein und leicht. Trotzdem verdampft es erst ab 100 °C und erstarrt schon bei 0 °C.

Wenn Sie erfassen wollen, warum Wasser sich ganz anders verhält, also offensichtlich unabhängig von seiner Größe und seiner molaren Masse flüssig ist, müssen Sie sich mit der Chemie des Stoffs befassen. Wasser hat einen Dipol, die Alkane keinen.

Besonderheiten von Wasser in Chemie erklären

  • Ein Stoff ist fest, wenn seine Moleküle um feste Punkte schwingen, sich aber nicht frei bewegen. Er wird flüssig, wenn die Temperatur steigt, denn dann bewegen sich die Teilchen heftiger. Die Moleküle können sich gegenseitig verschieben. Gasförmig werden die Stoffe, wenn die Temperatur die Bewegungsenergie so stark erhöht, dass die Teilchen jeglichen Zusammenhang verlieren.
  • Es ist leicht nachvollziehbar, dass je kleiner und leichter die Teilchen sind, recht wenig Energie nötig ist, um diese vom festen in den flüssigen Zustand zu befördern bzw. vom flüssigen in den gasförmigen. Das erklärt die gezeigten Zusammenhänge bei den Alkanen.
  • Wasser hat einen Dipol, weil die beiden positiven Wasserstoffkerne in einem Winkel von 104,45° stehen, das negative Sauerstoffion in der Mitte dazwischen, also im Scheitelpunkt des Winkels. Da sich positive und negative Ladungen gegenseitig anziehen, ordnen sich die Wassermoleküle in einem festen Muster an, es besteht eine große Bindungsenergie der Moleküle.
  • Aus diesem Grund wird Wasser schon bei Temperaturen flüssig, bei denen sonst nur deutlich schwerere Stoffe flüssig sind. Es schmilzt schon ab 0 °C, wird also in einem Temperaturbereich flüssig, wie das deutlich schwerere Dodecan, in diesem Bereich ist Methan schon lange ein Gas. Selbst bei 100 °C ist es noch flüssig, bei der Temperatur verdampft das fünfmal so schwere Hexan. Ohne Dipol würde Wasser sich ähnlich verhalten wie Methan, es wäre also ab -182 °C ein Gas.

So können Sie erläutern, warum Wasser flüssig ist.

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