Wasser

Water doesn’t obey your “rules”. It goes where it wants to. Like me, babe.

Bart Simpson

Wasser ist eine Chemikalie, die in großer Menge auf der Welt vorkommt und entweder als farblose Flüssigkeit, als farbloser Dampf oder als farbloser Eisklotz bekannt ist. Im Vergleich zu anderen chemischen Substanzen wie etwa Murmeltieröl ist Wasser für den Menschen von recht großer Bedeutung. Trotzdem oder gerade deshalb ist Wasser einer der rätselhafteren Stoffe auf dem Planeten.

Vieles an seinem wunderlichen Verhalten liegt an der Struktur der Wassermoleküle, die, wie man in jungen Jahren lernt, aus einem Sauerstoff-Atom und zwei Wasserstoff-Atomen bestehen, deren Elektronen verwirrende Dinge anstellen. Während der Sauerstoff acht Elektronen besitzt, steuert jedes Wasserstoff-Atom nur ein einziges bei. Zwei der Sauerstoffelektronen kann man von vornherein ignorieren, weil sie so in den Atomkern vernarrt sind, dass sie sich nicht weiter um ihr Umfeld kümmern. Es bleiben insgesamt acht Elektronen pro Wassermolekül übrig, die danach streben, sich paarweise anzuordnen, denn Alleinsein ist nicht die Stärke des Elektrons. Es geschieht Folgendes: Vier Sauerstoffelektronen verpaaren sich untereinander, die restlichen beiden lassen sich mit den Wasserstoffelektronen ein und halten so das Molekül zusammen. Es entsteht ein Gebilde mit einem fetten Leib (dem Sauerstoff-Atom), zwei Armen (den Wasserstoff-Atomen) und zwei Beinchen (den beiden Paaren aus Sauerstoffelektronen), die hilflos in die Gegend ragen.

Gäbe es nur ein einziges Wassermolekül auf der Welt und nicht deutlich mehr, wäre damit alles gesagt. Die Anwesenheit von Nachbarmolekülen jedoch verkompliziert das Sozialgefüge der Wasserbestandteile. Zum einen sind die Wasserstoff-Atome in ständiger Bewegung und wechseln bis zu tausendmal pro Sekunde ihr Molekül. Zum anderen ist das Wassermolekül stark elektrisch polarisiert: Der dicke Sauerstoffkern zieht die Elektronenpaare egoistisch zu sich hinüber, sodass er sich am Ende in einer negativ geladenen Elektronenwolke befindet, während die zwei Wasserstoff-Arme vergleichsweise nackt, das heißt positiv geladen, zurückbleiben. Dies führt wiederum dazu, dass die positiven Arme eines Moleküls danach streben, sich mit den negativen Beinen eines anderen zusammenzutun. Weil Wasser zum einen so bindungsfreudig, zum anderen aber auch so unbeständig in seinem Bindungsverhalten ist, kann es alle möglichen verschiedenen Strukturen bilden, von denen im Folgenden noch die Rede sein wird. Außerdem sorgen diese Eigenschaften dafür, dass es bereitwillig Strom und Wärme leitet, Salze in sich auflöst und sich mit organischen Substanzen wie Eiweißen verbindet. Klaglos mischt sich Wasser mit allem Möglichen, weswegen Lebewesen vorwiegend aus Wasser bestehen.

Eine weitere Folge der einzigartigen Struktur des Wassermoleküls sind insgesamt mehr als 60 Anomalien, die den gängigen Vorstellungen der Molekülphysik zu widersprechen scheinen und nur zum Teil verstanden sind. Am bekanntesten ist wohl die Eigenschaft des Wassers, bei ca. 4 Grad Celsius die höchste Dichte aufzuweisen, und nicht etwa am Gefrierpunkt oder darunter, wie alle anderen Stoffe, die sich an die Verkehrsregeln halten. Normaler wäre es, dass ein Eisblock die Moleküle an der kurzen Leine hält, während sie im flüssigen Zustand vergleichsweise frei herumlaufen dürfen. Deshalb passen bei den meisten Substanzen im festen Zustand mehr Moleküle in ein bestimmtes Volumen als im flüssigen Zustand, folglich ist die Dichte höher. Bei Wasser ist es genau umgekehrt, was folgendermaßen zu erklären ist: In der unter normalen Umständen entstehenden Eisstruktur sind die Moleküle sehr unintelligent mit großen Zwischenräumen angeordnet, gar nicht so eng, wie sie es gern haben. Kaum taut das Eis, finden sie sich bereitwillig zu größerer Dichte zusammen. Nur darum schwimmt Eis auf Wasser, was dazu führt, dass Flüsse und Seen von oben zufrieren. Viele Fische sind froh darüber.

Zahlreiche Besonderheiten des Wassers haben damit zu tun, dass sich heißes Wasser in mancher Hinsicht anders benimmt als kaltes. Eine der bisher ungeklärten Anomalien aus dieser Liste heißt Mpemba-Effekt, und es geht dabei um die Frage, warum heißes Wasser manchmal schneller gefriert als kaltes. Zum ersten Mal beschrieben wurde das Phänomen von Aristoteles. Offenbar war es zu seiner Zeit üblich, Wasser, das abgekühlt werden sollte, zunächst in die Sonne zu stellen, weil das Erhitzen den darauffolgenden Kühlvorgang beschleunigt. Da schon zu viele Dinge nach den alten Griechen benannt sind, aber nur sehr wenige nach Afrikanern, einigten sich alle Fachleute darauf, den Effekt eine Weile professionell zu vergessen, damit ihn im Jahr 1963 Erasto Mpemba in Tansania wiederentdecken konnte. Mpemba sollte im Physikunterricht Eiscreme aus kochender Milch herstellen, und weil er Zeit sparen wollte, stellte er seine Mischung einfach heiß in den Kühlschrank. Damit hatte er gleich doppelt Zeit gewonnen, denn sein heißes Milch-Zucker-Gemisch gefror schneller als das kalte seiner Mitschüler. Mpemba brauchte sechs Jahre, mehrere Physiklehrer und viel Beharrlichkeit, bis man ihm dieses Ergebnis offiziell glaubte.

Hat man einige Vorkenntnisse über die Physik von warmen und kalten Substanzen, muss man den Mpemba-Effekt für eine Legende halten. Das Abkühlen von Flüssigkeiten funktioniert im Idealfall wie ein Dauerlauf mit gleich bleibender Geschwindigkeit, wobei der Gefrierpunkt die Ziellinie ist. Stellt man zwei Gefäße, eines mit heißem, eines mit kaltem Wasser, nebeneinander in den Kühlschrank, dann sollte das kalte Wasser schneller gefrieren, weil die Entfernung von der Ausgangstemperatur zum Ziel kürzer ist. Unter bestimmten Bedingungen verhält es sich aber genau umgekehrt. Warum ist Wasser so unzuverlässig in dieser Angelegenheit? Offenbar unterscheidet sich das eine Wasser vom anderen Wasser nicht nur in der Temperatur, sondern auch in anderer Hinsicht. Für den Mpemba-Effekt könnten etwa die Wassermenge, der Gas- und Mineralstoffgehalt des Wassers, die Form und Art des Gefäßes, die Art des Kühlschrankes und natürlich die Temperatur eine Rolle spielen. All diese Parameter muss man unter Kontrolle halten, um das Phänomen zu untersuchen.

Es gibt viele konkurrierende Erklärungen für den Mpemba-Effekt: Zum Beispiel dampft heißes Wasser und verliert so Moleküle, weshalb am Ende weniger übrig bleiben, die abgekühlt werden müssen. Eine zweite Möglichkeit sind die im Wasser gelösten Gase wie Kohlendioxid, die beim Erhitzen des Wassers entweichen. Eventuell verändert dies die Anordnung der Wassermoleküle auf eine Weise, die schnelleres Gefrieren gestattet. (Flüssiges Wasser hat tatsächlich ein «Gedächtnis» in dem Sinn, dass sich die Konfiguration seiner Moleküle je nach Behandlung verändert und sich das Wasser so «merkt», was mit ihm geschehen ist; allerdings vergisst es alles wieder, wenn man gründlich umrührt.) Vor kurzem schließlich wurde eine überraschend einfache Variante vorgeschlagen: Heißes Wasser hat einen geringeren Gehalt an Mineralstoffen, weil diese sich beim Erhitzen an der Gefäßwand ablagern (man kennt das von Teekesseln), und gefriert daher schneller. Die Anwesenheit von Salzen nämlich erschwert das Gefrieren, weswegen man Schnee heutzutage nur in Kombination mit Salz auf die Straßen streut. Eins haben alle diese Erklärungen gemeinsam: Keine von ihnen wurde bisher von den Wasserexperten einstimmig akzeptiert.

Während sich der Mpemba-Effekt mit einfachen Mitteln erforschen lässt, verlangen andere Rätsel des Wassers nach allen technischen Raffinessen, die die moderne Physik zu bieten hat. Zum Beispiel, wenn es darum geht, herauszufinden, warum Schlittschuhe auf Eis gleiten. Viele glauben, es läge einzig an dem hohen Druck, den die schmalen Kufen ausüben. Dadurch, so hört man oft, entstehe ein dünner flüssiger Film, auf dem der Eisläufer herumrutsche. Das funktioniert allerdings schon bei Eiskufen kaum, beim Skilaufen gar nicht und beim Herumrutschen mit normalen Schuhen erst recht nicht. Eine mögliche Alternative ist die gute alte Reibung. Nach einer erstmals in den 1930er Jahren erdachten Hypothese erzeugt die Reibung von Kufen und Schuhen auf dem Eis genug Wärme, um ein wenig Wasser zu schmelzen, das dann als Schmiermittel zur Verfügung steht. Für diese Idee gibt es einige experimentelle Belege, und man ist sich heute fast sicher, dass Reibungswärme beim Rutschen auf dem Eis eine wichtige Rolle spielt. Leider ist Eis auch dann glatt, wenn sich gar nichts auf ihm bewegt und also auch gar keine Reibung stattfindet.

Aus dieser verfahrenen Situation rettet uns eventuell die besondere Struktur der Wassermoleküle. Schießt man mit Elektronen, Protonen oder Röntgenstrahlen auf eine Eisoberfläche, stellt man fest, dass sich die obersten Moleküle des Eises so verhalten, als wären sie flüssig, eine Idee, die schon im Jahr 1850 von der Physiklegende Michael Faraday geäußert wurde, ganz ohne Elektronenkanone. Vielleicht erzeugt das Eis also alleine, ohne Druck oder Reibung, eine flüssigkeitsähnliche Schicht, auf der man leicht entlanggleiten oder ausrutschen kann. Wie das Eis dies aber genau anstellt, ist unklar und Gegenstand aktueller Forschung. Sicherlich hat es damit zu tun, dass an der Eisoberfläche die bindungsfreudigen Moleküle nicht mehr wissen, wohin mit ihren Elektronenwolken, und wild mit Armen und Beinen herumstrampeln, genau wie sie das im flüssigen Zustand tun. So schön das alles klingt, es gibt auch Zweifler: Der amerikanische Physiker Miquel Salmeron und sein Team sahen sich die Eisoberfläche mit Hilfe des teuren Rasterkraftmikroskops genauer an und fanden heraus, dass Eis im atomaren Maßstab trotz der «flüssigen» Schicht immer noch sehr rau und gar nicht rutschig ist. Warum Eis also letztlich glatt ist, bleibt ungeklärt.

Übrigens gibt es nicht nur eine Sorte Eis, und damit ist nicht etwa Vanille und Schoko gemeint. Unter normalen Bedingungen gefriert Wasser zu sogenanntem «Eis Ih» (abgekürzt für: «Eis eins hexagonal»): Jeweils sechs Moleküle finden sich zu einem Sechseck zusammen und halten sich mit Armen und Beinen gegenseitig und an den Nachbarsechsecken fest. Das Gebilde sieht aus wie eine Bienenwabe und hat, wie bereits erwähnt, eine eher lose Struktur. Bei hohem Luftdruck und niedrigen Temperaturen, wie sie auf der Erde selten bis gar nicht vorkommen, können sich jedoch vollkommen andere, teilweise sehr komplexe Strukturen bilden, die «Eis II» bis «Eis XIV» heißen und ihre Moleküle dichter zusammenpacken als das handelsübliche «Eis Ih». «Eis III» zum Beispiel setzt sich nicht aus Sechsecken zusammen, sondern aus kleinen Molekültetraedern und entsteht bei Temperaturen unter –20 Grad Celsius und starkem Überdruck. «Eis IX» sieht ganz ähnlich aus und bildet sich, wenn man «Eis III» zügig abkühlt. Zum Glück hat es nicht viel gemein mit dem «Eis 9» in Kurt Vonneguts Roman «Katzenwiege», das schon bei +46 Grad gefriert und somit ziemlich schnell die komplette Erde in einen riesigen Schneeball verwandelt.

Vieles an den diversen Eisarten, ihren Eigenschaften und ihrer Entstehung ist unverstanden. Vielleicht gibt es auch mehr als die bisher entdeckten; schon morgen könnte das Institut um die Ecke eine vollkommen neue, noch nie gesehene Eissorte im Angebot haben. Dass es überhaupt so viele verschiedene Eise gibt, liegt wiederum an der besonderen Struktur der Wassermoleküle, die sich ohne großes Widerstreben auf unterschiedlichste Art und Weise anordnen lassen. Untersuchungen der exotischen Eisarten erlauben so Einblicke in die Bindungseigenschaften des Wassers, was wiederum zu nützlichen Erkenntnissen Anlass geben könnte über die zahlreichen biologischen und chemischen Gesellschaftsspiele, bei denen es bereitwillig mitmacht.

Ein weiteres Kunststück, das sich Wasser für den Übergang zu Eis ausgedacht hat, sind Schneeflocken. Wissenschaftlich ausgedrückt, sind Schneeflocken winzige Eiskristalle, die sich beim Gefrieren von Wasserdampf in Wolken bilden. Die einfachsten Schneeflocken sind kleine, sechseckige Platten oder Prismen, sechseckig deshalb, weil die Kristallstruktur des unter normalen Bedingungen entstehenden Eises, wie gesagt, hexagonal ist. Hat sich aus dem Wasserdampf ein erstes Sechseck zusammengefunden, bleibt den sich anschließend anlagernden Wassermolekülen nichts anderes übrig, als der vorgegebenen Struktur zu folgen. Verändert sich jedoch die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit rings um diese «Ur-Schneeflocke», zum Beispiel, wenn Wind durch die Wolke bläst, dann passieren spannende Dinge: Die sechseckige Platte wächst in Höhe oder Durchmesser, in der Mitte entsteht ein Loch, oder es bilden sich Arme an jeder Seite der Platte, die zu komplexen, farnähnlichen Gebilden ausufern können. Jede Schneeflocke trägt also in ihrer Form eine ausführliche Lebensgeschichte mit sich herum.

Leider jedoch in einer schwer verständlichen Sprache. Einer der in den letzten Jahren aktivsten Schneeflockenexperten, Kenneth G. Libbrecht vom California Institute of Technology in Pasadena, verbringt nicht nur seine Urlaube in schneesicheren Gebieten, um Schneeflocken zu sammeln, sondern hat auch umfangreiche Laborversuche zur Schneeherstellung durchgeführt. «Wenigstens ein Mensch auf diesem Planeten sollte verstehen, wie Schneeflocken entstehen», ist sein Motto. Bis es so weit ist, hat er genug zu tun: Warum unter bestimmten Bedingungen diese oder jene Schneeflockenart entsteht, wie es also zu dem vielfältigen Zoo von Schneeflocken kommt, das weiß bis heute niemand. Wie läuft das Wachstum der Schneeflocke unter verschiedenen Umständen ab? Welche Parameter, abgesehen von Luftfeuchtigkeit und Temperatur, sind wichtig? Und wie kann man die Bildung von Schneeflocken auf mikroskopischer Ebene, angefangen mit dem scheinbar so einfachen Wassermolekül, verstehen? Libbrecht empfiehlt, wie nicht anders zu erwarten, neue, umfangreiche Laboruntersuchungen. Aufgeben jedenfalls kommt nicht infrage.