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Montag, 15 März 2021 10:59

Wasser – zwischen Faszination und Esoterik - Teil 2

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Geschätzte Lesezeit: 5 - 10 Minuten
Mit 34 % Salzgehalt ist das Tote Meer im Jordangraben das am meisten mit Salz angereicherte Gewässer. Unter natürlichen Bedingungen kann es damit nie zufrieren Mit 34 % Salzgehalt ist das Tote Meer im Jordangraben das am meisten mit Salz angereicherte Gewässer. Unter natürlichen Bedingungen kann es damit nie zufrieren

Wasser ist eine lebensnotwendige und damit unverzichtbare Ressource, allerdings in seinem Verhalten oft auch eine merkwürdige Flüssigkeit. Teil 2 des Aufsatzes beschreibt die physiko-chemischen Eigenschaften des Wassers, seine Phänomene und Anomalien.

H2O – ein seltsames Molekül

Nach diesem Überblick zur Situation Wasser als lebensnotwendige Ressource nun zum Wassermolekül und seinen besonderen physiko-chemischen Eigenschaften.

Rechnet man den Wasservorrat der Erde von ca.1,4 Milliarden km3 in die Anzahl der Wassermoleküle um, erhält man die gigantische Zahl von 4,7∙1046. Eine Zahl ohne praktische Bedeutung, denn die physiko-chemischen Eigenschaften des Stoffes Wasser ergeben sich nicht aus einer Anzahl von unabhängig nebeneinander existierenden Wassermolekülen (n∙H2O), sondern aus den Wechselwirkungen der Moleküle untereinander. Wasser ist deshalb als System vernetzter Wassermoleküle zu verstehen. Wie aus der physikalischen Chemie bekannt, ist die Ursache dafür die gewinkelte Anordnung der Atome und die daraus resultierende Polarisierung der OH-Bindung mit den negativen und positiven Ladungszentren im Molekül (Wasser- molekül als Dipol). Die Vernetzung erfolgt über Wasserstoffbrückenbindungen, sogenannte Nebenvalenzbindungen. In der räumlichen Anordnung ergibt sich eine mehr oder weniger verzerrte Tetraederstruktur, die je Molekül vier Wasserstoffbrückenbindungen (H-Brücken) mit benachbarten Wassermolekülen ermöglicht. Im flüssigen Wasser verhält sich der Wasserstoffbrückenverbund dynamisch, das heißt, die H-Brücken wechseln ständig ihre Partner. Bei Eis spricht man dagegen von einer weitgehend perfekten Tetraederstruktur.

Aus dieser strukturellen Besonderheit des Wassermoleküls leitet sich im Vergleich mit Homologen (z.B. H2S) eine Vielzahl von praktisch bedeutsamen Anomalien ab [4, 7–9, 11, 15]. Insgesamt soll es 74 geben. Einige wesentliche davon werden Gegenstand dieses Beitrages sein.

Wasser – Phänomene und Anomalien

Kuwait gehört zu den trockensten Gegenden unseres Planeten. Der Süßwasserbedarf  von Mensch und Tier  wird deshalb unter anderem von Meerwasser-Entsalzungsanlagen gedecktKuwait gehört zu den trockensten Gegenden unseres Planeten. Der Süßwasserbedarf von Mensch und Tier wird deshalb unter anderem von Meerwasser-Entsalzungsanlagen gedecktAllgemein bekannt ist die Dichteanomalie des Wassers (Dichtemaximum bei 4° C) mit ihren positiven, aber auch negativen Wirkungen. Positiv ist, dass sich das spezifisch leichtere Eis an der Wasseroberfläche befindet, demzufolge die Eisbildung in Gewässern von oben nach unten verläuft und somit Wasserlebewesen bei Frost gute Überlebenschancen haben. Negativ ist dagegen, wenn Eisberge eine Gefahr für die Schifffahrt darstellen oder Eisbildung infolge Ausdehnung der festen Phase die Zerstörung wasserführender Anlagenteile bewirkt. Auch die Verwitterung beruht auf der Dichteanomalie (Zerstörung durchfeuchteter Bauwerke bei Frost, dagegen Unterstützung der Bodenbildung). In engem Zusammenhang mit der Dichteanomalie steht auch die Schmelzpunkterniedrigung bei Druckerhöhung, eine wichtige Voraussetzung dafür, dass Schlittschuhe auf Eisflächen, aber auch Gletscher auf ihrem Untergrund gleiten können.

Die „luftige“ Tetraederstruktur des Eises wird bei Druckerhöhung zerstört und geht in die dichte Struktur des Schmelzwassers über. Unter sehr hohen Drücken, z.B. 2000 bar, erstarrt Wasser erst bei -22 °C. Bei ca. 6,2 kbar gefriert Wasser wieder bei 0 °C. Dagegen liegt bei 32 kbar der Schmelzpunkt bei 100 °C [11]. Auch, dass sich tief unter Eisschichten eingeschlossene Wasserspeicher befinden, beruht auf der Druckabhängigkeit des Schmelzpunktes. Beispiel: Wostok-See, mit 500 m Tiefe und 10 000 km2 Ausdehnung größter Wasserspeicher in der Antarktis, Eisdecke über dem See ca. 4 km, Druck ca. 350 bar, Wassertemperatur -3 °C [4, 10].

Schmelzpunkterniedrigung tritt aber auch bei steigendem Salzgehalt auf. Daraus folgt, dass z. B. Brackwasser (Mischwasser Fluss/Meer; Salzgehalt: ca. 0,1 … 2,5 %) und Meerwasser (Salzgehalt: ca. 3,5 %) erst bei Temperaturen von -1 °C … -3 °C gefrieren können. Ein Extremfall ist das Tote Meer mit einem Salzgehalt von 34 % (erhöht sich kontinuierlich infolge hoher Verdunstung und zu geringem Zufluss ohne Abfluss). Eisbildung ist hier unter natürlichen Bedingungen nicht denkbar.

Polareis und Gletscher stellen Süßwasservorräte dar (global: ca. 2,7 % des Gesamtwasservorrates). Süßwasser deshalb, weil Salze bei der Eisbildung in der flüssigen Phase verbleiben. Es gibt sogar Überlegungen, Eisberge aus der Antarktis in Süßwassermangelgebiete zu transportieren. Eisschmelze ohne Nutzung des Schmelzwassers bedeutet dagegen Süßwasserverlust, da sich das Schmelzwasser mit dem Meerwasser vermischt. Hochrechnungen haben z. B. ergeben, dass der Meeresspiegel weltweit um ca. 6 bis 7 m ansteigen könnte, wenn infolge globaler Erwärmung das gesamte terrestrische Eis auf Grönland abschmelzen würde. Ein Szenarium, das hoffentlich in dieser Größenordnung nie Wirklichkeit wird. Presseinformationen zufolge sieht Grönland im Export von Schmelzwasser sogar ein Geschäftsmodell. Weitere Anomalien sind die vergleichsweise hohen Werte für die Schmelz- und Verdampfungsenthalpie, spezifische Wärmekapazität, Oberflächenspannung, Viskosität, Dielektrizitätskonstante und Schallabsorption [11]. Wasser ist nahezu inkompressibel und kann weit unterhalb des Gefrierpunktes durch Unterkühlung noch flüssig sein (reinstes Wasser bis -20 °C). Unterkühltes Wasser ist aber instabil, so dass Verunreinigungen und Temperaturerhöhung zur Eisbildung führen.

Durch die hohe spezifische Wärmekapazität eignet sich Wasser für die Speicherung und Übertragung von Wärme in technischen Anlagen. Meere und Seen wirken über die Verdunstung bzw. Wärmeabgabe ausgleichend auf das Klima. Die geringe Wärmeleitfähigkeit erschwert in Gewässern und Talsperren die Erwärmung des kalten Tiefenwassers, so dass dessen bessere Qualität für die Trinkwasser -versorgung genutzt werden kann.

Die Oberflächenspannung des Wassers ermöglicht Kapillareffekte, die für den Wasser- und Nährstofftransport in Pflanzen und Bäumen von unten nach oben unverzichtbar sind. Die Aufrechterhaltung der Bodenfeuchte, Korrosion in porösen Materialien sowie die Durchblutung tiefer Gewebeschichten in biologischen Systemen basieren ebenfalls auf Kapillareffekten.

Die hohe Dielektrizitätskonstante unterstreicht, dass Wasser ein polares und in Verbindung mit seinen anderen Stoffeigenschaften ein universelles Lösungs-, Reaktions-, Quell- und Transportmittel ist. Die komplexe Flüssigkeit Blut und der Blutkreislauf sind ein anschauliches Beispiel dafür.

Obwohl die molekulare Wasserstruktur als recht gut untersucht gilt (s. zahlreiche Modellvorstellungen und Datensammlungen [7–9, 11], Wikipedia, bestehen aber offensichtlich noch Defizite im Verständnis zum Zusammenhang zwischen Wasserstruktur und dem Verhalten dieser „merkwürdigen Flüssigkeit“. Sicher eine Ursache dafür, dass dem Wasser häufig Wunderkräfte zugeordnet werden, die oft ins Esoterische abgleiten.

Aufschlussreich sind deshalb Betrachtungen zur Zunahme der Ordnung der Wasserstruktur bei Abkühlung bis hin zur kristallinen Eisstruktur. Es ist ein Beispiel für konservative Selbstorganisation, ein Prozess, bei dem im System Wasser/Eis ein Temperaturgleichgewicht mit der Umgebung angestrebt wird [12, 13].

Es gilt das Boltzmann-Prinzip:

S = k ∙ lnW<2>

Bei S handelt es sich um die Zustandsgröße Entropie, ein Maß für die Unordnung und Wertigkeit der Energie im System. k ist die Boltzmann-Konstante.

Seen und vor allem Meere (hier der Ärmelkanal bei Dièppe , Normandie) fungieren als Klimapuffer. Sie nehmen die Wärme aus der überhitzten Atmosphäre auf und geben sie als Dunst wieder ab. Trotzdem werden auch die Meere immer wärmerSeen und vor allem Meere (hier der Ärmelkanal bei Dièppe , Normandie) fungieren als Klimapuffer. Sie nehmen die Wärme aus der überhitzten Atmosphäre auf und geben sie als Dunst wieder ab. Trotzdem werden auch die Meere immer wärmerGleichung 2 stellt somit eine Verknüpfung zwischen der Entropie und der Wahrscheinlichkeit W dar, wie viel verschiedene Anordnungen der H2O-Moleküle über H-Brücken bei einer bestimmten Temperatur ohne Änderung der Entropie und Gesamtenergie möglich sind. Zunahme der Ordnung bedeutet Abnahme der Entropie (∆S<0) im System Wasser durch Entropie-Export und Wärmeabgabe an die Umgebung bei Verringerung von W. Letzteres resultiert aus der Verringerung der Dynamik bei der Ausbildung von H-Brücken, wenn das System Wasser sich abkühlt. Am Erstarrungspunkt besteht für die H2O-Moleküle ein Energieminimum. Am absoluten Nullpunkt wären theoretisch W = 1 und S = 0. Die Anordnung von H-Brücken bestimmt bei Wechselwirkungen des Wassers mit Biomolekülen deren Form und Eigenschaften und damit die Dynamik wesentlicher Lebensvorgänge [14, 15]. Ein Beispiel dafür ist die Proteinfaltung. Besonders die Eisstruktur des Schmelzwassers wird genannt, wenn es um ein optimales Zusammenspiel von Biomolekülen und Wasser in Biosystemen geht. Auch von Biomolekülen gehen Wirkungen auf die Wasserstruktur aus, da z. B. Nichtelektrolyte H-Brücken stabilisieren können [26]. Dagegen verringern verschiedene Elektrolyte (chaotrope Stoffe) den Ordnungsgrad der Wasserstruktur (Entropie-Erhöhung, ∆S>0) durch Zerstörung von H-Brücken [11]. Dadurch wird z.B. die treibende Kraft der lebensnotwendigen Proteinfaltung herabgesetzt.

Wasser wird sogar auf Grund unterschiedlicher Anordnungen der H-Brücken und dadurch unterschiedlicher Molekülabstände in Verbindung mit Dichteunterschieden als Gemisch verschiedenartiger Flüssigkeiten, vergleichbar mit einer Emulsion, beschrieben (Theorie der zwei Wasserarten) [15]. H-Brücken sind in Verbindung mit anderen Anziehungskräften (Ion-Ion, Ion-Dipol, Dipol-Dipol, Londonsche Dispersionskräfte) offensichtlich der Schlüssel zur weiteren Aufklärung noch vorhandener Geheimnisse im System Wasser.

Bezüglich der Bewegung von Wasser (Fließen, Wellenbildung) sollen noch zwei weitere Formen der Strukturbildung durch Selbstorganisation kurz diskutiert werden. Zum einen geht es um Ordnung durch dissipative Selbstorganisation, ein Prozess, der im Gegensatz zur konservativen Selbstorganisation nur in offenen Systemen (Stoff- u. Energieaustausch mit der Umgebung) und bei überkritischem Abstand vom thermischen Gleichgewicht stattfindet [12, 13, 17, 18]. Weitere Kriterien, die hier nur erwähnt werden, sind: Energietransformation, Nichtlinearität, Symmetriebrechung, Rückkopplung und operationale Geschlossenheit. Entropie-Export gilt analog zur konservativen Selbstorganisation. Nahezu ein Schulbeispiel ist der Bernard-Effekt.

Durch Erhitzung einer dünnen Wasserschicht von unten bildet sich ein Temperaturgradient. Nach anfänglich chaotischem Wechselspiel zwischen Auftriebskräften, Wärmeleitungs- u. Konvektionseffekten beginnt ab einem bestimmten Temperatur- gradient (überkritischer Abstand vom Gleichgewicht) plötzlich dissipative Selbstorganisation. Es entstehen kleine sechseckige Zellen (Bernard-Zellen), die vertikal zirkulieren und somit den Energie- u. Entropietransport im System Wasser unterstützen. Das ist dynamische Ordnung, die erst bei Überschreiten eines kritischen Temperaturgradienten wieder zusammenbricht und in turbulentes Chaos übergeht [17].

Ein weiteres Beispiel stellen komplexe biologische Systeme dar. Durch dissipative Selbstorganisation wird der hohe Ordnungszustand trotz Tendenz zum Chaos lebenslang weitgehend aufrechterhalten. Treibende Kraft ist die Energietransformation (Chemische Energie der Nährstoffe über die Bildung von ATP, Adenosintriphosphat, in freie Energie) für zelluläre Arbeit (Kooperative Prozesse, wie Zellerneuerung, Muskelkontraktion, Molekülakti- vierung, Biosynthesen, aktiver Stofftransport, Aufrechterhaltung von elektrischen Potentialdifferenzen). Wasser spielt dabei als Lösungs-, Reaktions- und Transportmittel eine entscheidende Rolle, schließlich bestehen biologische Systeme zu 60 ... 70 % aus Wasser. Mehr dazu in [17, 19].

Bleibt noch die dispersive Selbstorganisation, kurz erläutert an speziellen Wellen, den Solitonen, auch solitäre Wellen genannt [12, 20]. Üblicherweise lösen sich Wellen infolge einer Vielzahl kleiner Störungen, z. B. innere Reibung, auf und streben gemäß 2. Hauptsatz der Thermodynamik einem chaotischen Gleichgewicht zu (Dispersion). Sensationell erschien deshalb 1834 die Beobachtung, dass in einem Kanal eine formstabile Welle scheinbar ohne Energie- und Geschwindigkeitsverlust weite Strecken zurücklegte [20]. Heute weiß man, dass unter bestimmten Bedingungen nichtlineare Wechselwirkungen und Rückkopplungen Dispersion verhindern und Strukturbildung durch Selbstorganisation auslösen können (Prinzip d. Tsunamis) Solitonen sind ein interessantes Beispiel dafür, dass Wasser als Träger mechanischer Energie in vielfältiger Weise Arbeit verrichten kann.

– wird fortgesetzt –

Literatur

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[2] Hydrologie, Lehrbriefe für das Hochschulfernstudium, Teil 1 bis 3, TU Dresden, Sektion Wasserwesen (DDR)
[3] Maniak, U.: Hydrologie und Wasserwirtschaft, Eine Einführung für Ingenieure, 2. Auflage, Springer Verlag, Berlin Heidelberg New York, 1992
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[5] Fachbeiträge im IWW-Journal, Ausgaben 49 (Dezember 2018), 50 (Juli 2019) u. 52 (Juni 2020)
[6] Abhandlungen der Sächsischen Akademie der Wissenschaften, Mathematisch-naturwissenschaftliche Klasse, Band 66, Heft 5 Biodiversität, Bioenergie, Wasserqualität, 2020
[7] Kümmel, R.: Wasser – Sphinx unter den Flüssigkeiten, Acta. hydrochim. hydrobiol., 18 (1985) 5, 541–548
[8] Anders, S.: Rund um das Wasser – ein physikalischer Streifzug, Kleine Naturwissenschaftliche Bibliothek, Band 54, 1. Auflage BSB B.G., Teubner Verlagsgesellschaft, Leipzig, 1983
[9] Gordalla, B.C.; Müller, M.B.; Frimmel, F.H.: 1.2 Die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Wassers und ihre Bedeutung für das Leben, 1. Lebenselexier Wasser – betrachtet aus der Sicht von Natur- und Gesellschaftswissenschaften. Aus: Warnsignal Klima: Genug Wasser für alle?, 3. Auflage (2011), 31–39
[10] Meilensteine der Wissenschaft – Eine Zeitreise, Spektrum Akademischer Verlag, 1. Auflage, 2005, 520
[11] RÖMPP Chemielexikon, Bd.6, 9. Auflage, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, New York, 1995
[12] Ebeling, W.: Physikalische Prinzipien der Selbst- organisation der Materie Urania 6/83, 32–37
[13] Ebeling, W.; Feistel, R.: Chaos und Kosmos – Prinzipien der Evolution, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Berlin, Oxford, 1994
[14] Gerstein, M.; Levitt, M.: Die Simulation von Biomolekülen in Wasser, Spektrum der Wissenschaft, Febr. 1999, 47–51
[15] Saager, N.; Weber, A.: Wunderstoff Wasser, P.M. 12/2019, 20–29
[16] Vieweger, D.: Streit um das Heilige Land. 3. überarbeitete u. aktualisierte Auflage, Gütersloher Verlagshaus, 2011
[17] Nikoles, G.; Prigogine, J.: Die Erforschung des Komplexen, R. Piper GmbH & Co. KG, München 1987
[18] Nachtigall, W.: Bionik – Grundlagen und Beispiele für Ingenieure und Naturwissenschaftler, Springer-Verlag, 2. Auflage, 2002
[19] Fischwasser, K.: Fitness – bioenergetisch betrachtet umak- Internet-Gesprächsrunde 2020, Tagungsmanuskript, Essay (in Vorb.)
[20] Briggs, J.; Peat, D.F.: Die Entdeckung des Chaos, Carl Hanser Verlag, München, Wien, 1990

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  • Ausgabe: 2
  • Jahr: 2021
  • Autoren: Prof. Dr. rer. nat. habil. Klaus Fischwasser

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