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Neues aus der Welt der Wissenschaft |
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Gesetze und Seltsamkeiten des Wassers |
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| | | Wasser ist eine alltägliche, aber ungewöhnliche Flüssigkeit. Präzise Messungen der Verteilung der Moleküle im Wasser helfen uns, einige seiner seltsamen Eigenschaften zu verstehen. |
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Die kristalline Ordnung von Festkörpern zu beschreiben, ist relativ einfach, aber die Ordnung in "ungeordneten" Stoffen wie Flüssigkeiten, Glas oder Eiweißmolekülen zu finden ist weitaus subtiler und heikler.
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Jeffrey Errington und Pablo Debenedetti vom Department of Chemical Engineering der Universität Princeton konnten markante Muster bei der Veränderung der molekularen Struktur von Wasser und deren Auswirkungen auf die Eigenschaften von Wasser nachweisen.
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Besonderheiten des Wassers
Die am besten bekannte Eigenschaft von Wasser ist seine maximale Dichte bei vier Grad Celsius. Ein Verändern dieser Temperatur durch Erhitzen oder Abkühlen bedeutet eine Verringerung der Dichte des Wassers. Eine ebenso wichtige, aber weitaus weniger bekannte Anomalie des Wassers ist folgende: Wird die Dichte des Wassers verändert, beginnen sich die Wassermoleküle immer schneller zu bewegen und auszubreiten. Bis zu dem Punkt der maximalen Ausdehnung. Bei höheren Dichten nimmt die Ausdehnung ab, bei gleichzeitiger Zunahme der Dichte, genauso wie in anderen Flüssigkeiten. |
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Anormale Strukturen |
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Mit Hilfe von Computersimulationen konnten Errington und Debenedetti eine strukturelle anomale Region im Dichte-Temperatur-Diagramm des Wasser feststellen. In dieser Region wechseln sich abnehmende und zunehmende Dichte ab.
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Außerdem stellten sie fest, dass die unüblichen Verhaltensweisen von Dichte und Ausdehnung des Wassers nur in dieser Region vorkommen. Möglicherweise könnte dies Aufschluss über den Zusammenhang zwischen Anomalien in Strukturen und dem Verhalten von Stoffen geben.
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Das Gesetz der Ordnung
In kristallinen Feststoffen sind Atome oder Moleküle in einer regelmäßigen Reihe arrangiert. Solch eine klare Ordnung gibt es in Flüssigkeiten nicht. Ein mikroskopischer Schnappschuss einer Flüssigkeit würde Atome in völligem Durcheinander zeigen, genauso wie Menschen zur Stoßzeit in der U-Bahn.
Dennoch gibt es auch hier eine eigene Art der Ordnung. Zu einem bestimmten Zeitpunkt kann nur ein Körper an einem Platz sein. Genauso wie in der U-Bahn nur ein Passagier an einer Stelle stehen kann und ein anderer Fahrgast in irgendeine Richtung in einem klar definierten Abstand ausweichen muss und ein dritter U-Bahnbenutzer jetzt noch weiter weg stehen muss, verhalten sich auch die Moleküle von Flüssigkeiten. Dadurch ergibt sich natürlich eine bestimmte Form der Ordnung die aber nicht über längere Zeiträume bestehen bleiben kann. |
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Wasserstoff-Architekt des Aufbaus der Moleküle |
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In den meisten energiegeladenen Strukturen hat jedes Molekül vier wasserstoffgebundene Nachbarn, die an den Eckpunkten eines Tetraeders sitzen. Im Gegensatz dazu gibt es in einem Flüssigkeitsmolekül zwölf Nachbarn. Wassermoleküle sind deswegen weniger dicht angeordnet und Wasser besitzt so eine weitaus höhere Tendenz, sich neu zu ordnen, als andere Flüssigkeiten.
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Neue Ansätze |
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Errington und Debenedetti definieren zwei Ordnungsparameter. Der erste quantifiziert das Gesetz der Verschiebung: Wie die Nachbarn eines Moleküls im Durchschnitt angeordnet sind und welche Distanz sie zu dem Molekül haben.
Der zweite Parameter quantifiziert das Gesetz der Orientierung: Es gibt die Entfernung zwischen den benachbarten Molekülen an und in welchem Winkel sie zueinander stehen.
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Wasser ist anders |
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In normalen Flüssigkeiten nehmen die Werte beider Gesetze mit steigender Dichte zu. In Wasser nehmen beide Werte hingegen ab. Denn die zunehmende Kompression führt zu einer Zerstörung des Netzwerks der Wasserstoffverbindungen. Errington und Debenedetti konnten diesen Vorgang in Form ihrer strukturellen anomalen Region messen.
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Bei einer bestimmten Temperatur ist diese Region, dieser Vorgang, durch das Gesetz der Orientierung mit einem Maximalwert am Zeitpunkt der niedrigsten Dichte und durch das Gesetz der Verschiebung mit einem Minimalwert zum Zeitpunkt der höchsten Dichte begrenzt.
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Die Dauer der strukturellen anomalen Region ist durch die Kuppel im Dichte-Temperatur-Diagramm gut zu sehen.
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Eine neue Sicht der Dinge |
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Die Entdeckung von Errington and Debenedetti wirft einige interessante Fragen auf. Die Charakterisierung struktureller Anomalien und die strenge Verbindung der Gesetze der Verschiebung und Orientierung könnten dazu beitragen, die genauen Bedingungen für das anomale Verhalten von Stoffen herauszufinden.
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01.01.2010 |
