Wasser (auch Wasserstoffoxid, Hydrogeniumoxid, Diwasserstoffmonoxid, Dihydrogeniumoxid oder Dihydrogenmonoxid) ist eine chemische Verbindung (Molekül) aus Sauerstoff und Wasserstoff (chemische Formel: H2O). Die Bezeichnung Wasser wird besonders für den flüssigen Aggregatzustand verwendet, im festen, also gefrorenen Zustand wird es Eis genannt, im gasförmigen Zustand Wasserdampf oder einfach nur Dampf.
Wasser ist wegen seiner besonderen chemischen und physikalischen Eigenschaften (vor allem des Dipolmoments, der Wasserstoffbrückenbindung und der Dichteanomalie) essentiell und Entstehungsort des Lebens; in Organismen und in unbelebten Bestandteilen der Geosphäre spielt es als vorherrschendes Medium bei allen Stoffwechselvorgängen bzw. geologischen und ökologischen Elementarprozessen die wichtigste Rolle (zum Beispiel Photosynthese, Klima). Die Erdoberfläche ist zu ca. 70 % von Wasser bedeckt (Ozeane), aber nur 0,3 % sind als Trinkwasser zu erschließen. In flüssiger Form wurde Wasser bislang nur auf der Erde nachgewiesen.
Die Herkunft des Wassers auf der Erde, insbesondere die Frage warum auf der Erde deutlich mehr Wasser vorkommt als auf den anderen erdähnlichen Planeten, ist bis heute nicht befriedigend geklärt. Zwar dürfte ein Teil des Wasser auf der Erde durch das Ausgasen der Magma entstanden sein, also letztlich aus dem Erdinneren stammen, ob dadurch aber die Menge an Wasser erklärt werden kann ist fragwürdig. Weitere grosse Anteile könnten aber auch durch Einschläge von Kometen oder wasserreichen Asteroiden auf die Erde gekommen sein. Messungen des Verhältnisses von Deuterium zu Protium (D/H-Verhältnis) deuten dabei eher auf Asteroiden hin, da in Wassereinschlüssen in kohligen Chondriten ähnliche Verhältnisse gefunden wurden wie in ozeanischem Wasser, wohingegen bisherige Messungen dieses Isotopen-Verhältnisses an Kometen nur schlecht mit irdischem Wasser übereinstimmten.
Sauerstoff hat eine höhere Elektronegativität als der Wasserstoff. Durch die dreieckige Geometrie des Moleküls und die unterschiedlichen Partialladungen der Atome hat es auf der Seite des Sauerstoffs negative und auf der Seite der beiden Wasserstoffatome positive Polarität. Diese bewirkt das Dipolmoment, das in der Gasphase 1,84 Debye beträgt. Eine Erklärung für die winklige Anordnung der beiden Wasserstoffmoleküle, wegen der es erst zur Dipolbildung, und damit zu den besonderen Eigenschaften des Wassers kommt, liefert die VSEPR-Theorie anhand der beiden einsamen Elektronenpaare auf dem Sauerstoffatom. Durch die unterschiedlichen Partialladungen kann das Molekül von bestimmten elektromagnetischen Wellen, den Mikrowellen, in Schwingungen versetzt werden, welche zur Erwärmung des Wassers führen.
Schweres, halbschweres und überschweres Wasser
Neben dem „normalen“ Wasser gibt es noch das sogenannte „schwere Wasser“ (Deuteriumoxid), das „halbschwere Wasser“ und das „überschwere Wasser“ (Tritiumoxid). Bei schweren Wassern sind die normalen Wasserstoffatome (Protium, Symbol H) durch ihre schweren Isotope Deuterium oder Tritium ersetzt. Schwere Wasser unterscheiden sich bezüglich ihrer physikalischen (höherer Schmelzpunkt, höherer Siedepunkt, größere Dichte) und chemischen Eigenschaften von herkömmlichem Wasser. Aufgrund des hier besonders großen Massenunterschieds zwischen Protium und Tritium oder Deuterium (eben die zwei- bzw. dreifache Masse) ist hier der kinetische Isotopeneffekt besonders ausgeprägt. Folglich wird bei Ersatz des normalen Wassers bei chemischen Gleichgewichtsreaktionen die Gleichgewichtslage verändert, was zum Beispiel im menschlichen Körper zu gesundheitlichen Folgen führen kann.
Deuteriertes Wasser wird aufgrund der anderen Spineigenschaften als Lösungsmittel für NMR- Analytik benutzt.
Eigenschaften des Wassers
Die Eigenschaften des Wassers beruhen hauptsächlich auf dem Aufbau des Wassermoleküls und der daraus resultierenden Verkettung der Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen. Die Eigenschaften des Wassers sind so besonders, dass sie Wasser zu dem bedeutendsten Stoff der Erde machen.
Die hier angegebenen Eigenschaften beziehen sich auf Wasser ohne gelöste Stoffe. Sie dienen nur zu Grundlage, um die nachfolgenden Abschnitte zu verstehen, denn ein solch reines Wasser lässt sich höchstens in einem Labor erzeugen.
Bis heute werfen einige Eigenschaften des Wassers Forschern große Rätsel auf, obwohl die Eigenschaften des Wassers schon seit jeher Objekt von Forschungen sind. Auch wenn man einige Eigenschaften des Wasser nicht kannte oder nicht erklären konnte, wurden sie dennoch immer ausgenutzt.
Die physikalischen Eigenschaften des Wassers sind stark von der Temperatur und dem Druck abhängig. Große Veränderungen der physikalischen Eigenschaften des Wassers treten auch ein, wenn im Wasser Stoffe gelöst sind. Allgemein kann gesagt werden, dass zum Beispiel die Oberflächenspannung und Viskosität des Wassers mit zunehmender Temperatur abnehmen. Mehrere Eigenschaften des Wassers sind besonders auf die Verkettung der Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen zurückzuführen und wegen dieser Verkettung anders als erwartet. Zu den Eigenschaften, die aus der Verkettung der Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen resultieren, zählen unter anderem der hohe Schmelz- und Siedepunkt des Wasser sowie die Dichteanomalie.
Der Schmelz- und der Siedepunkt des Wassers haben für die Menschheit eine so große Bedeutung, dass diese als Fixpunkte der Celsiusskala festgelegt wurden.
Wasser siedet unter Normalbedingungen bei 100 °C und erstarrt bei 0 °C, kann allerdings auch bei Normalbedingungen unter 0 °C als Flüssigkeit vorliegen, es handelt sich in dem Fall um unterkühltes Wasser. Der Siedepunkt des Wasser ist allerdings, wie die linke Tabelle zeigt, stark vom Dampfdruck abhängig. Wasser lässt sich auch unter Normaldruck etwas über seinen Siedepunkt hinaus erhitzen (Siedeverzug).
Wasser hat einen relativ hohen Siedepunkt. Zum Vergleich: Methan hat dieselbe Molmasse und siedet unter Normaldruck bereits bei -164 °C. Falls Wasser den aus der Molmasse abzuleitenden Gesetzmäßigkeiten entspräche, müsste es demnach bei Raumtemperatur unter Normaldruck als Gas vorliegen. Dass dies nicht so ist, lässt sich dadurch erklären, dass zusätzlich zu den intramolekularen Kräften auch die Wasserstoffbrückenbindungen überwunden werden müssen.
Löslichkeit
Wasser ist ein hervorragendes Lösungsmittel für viele Stoffe, es ist polares Lösungsmittel mit einer hohen Dielektrizitätskonstante.
Die Löslichkeit in Wasser ist oft stark von der Temperatur abhängig; dabei verhalten sich Feststoffe und Gase unterschiedlich. Gase lösen sich bei zunehmender Temperatur schlechter in Wasser, während sich Feststoffe bei zunehmender Temperatur meist besser in Wasser lösen lassen (es gibt mehrere Ausnahmen, so z. B. Lithiumsulfat). Normalerweise gilt, dass ein Stoff sich umso besser in Wasser lösen lässt, je mehr polare Gruppen in diesem Stoff vorhanden sind. Überkritisches Wasser zeigt jedoch ähnliche Löslichkeitseigenschaften wie unpolare organische Lösungsmittel.
Bei der Auflösung von Stoffen in Wasser laufen der endotherme Gitterabbau und die exotherme Hydration ab, was Wärmemischungen (Schwefelsäure in Wasser) und Kältemischungen (Salze in Wasser) hervorrufen kann; hierbei entscheidet die Differenz zwischen der exothermen Hydration und dem endothermen Gitterabbau, ob eine Erwärmung oder eine Abkühlung eintritt..
Bedeutung des Wassers für das Klima
Wasser beeinflusst entscheidend unser Klima und ist für die Entstehung von Wetter verantwortlich, vor allem durch seine Kapazität als Wärme(Energie-)speicher. In den Ozeanen wird die einstrahlende Sonnenenergie gespeichert. Diese regional unterschiedliche Erwärmung führt wegen Verdunstung zu Konzentrationsunterschieden (vor allem Salinität (Salzgehalt)). Dieses Konzentrationsgefälle erzeugt globale Meeresströmungen, die sehr große Energiemengen (Wärme) transportieren (z. B. Golfstrom, Humboldtstrom, äquatorialer Strom, mitsamt ihren Gegenströmungen). Ohne den Golfstrom würde in Mitteleuropa arktisches Klima herrschen.
Im Zusammenhang mit dem Treibhauseffekt stellen Ozeane die wirksamste CO2-Senke dar, da Gase wie Kohlendioxid in Wasser gelöst werden (siehe Kohlenstoffzyklus). Die mit der globalen Erwärmung einhergehende Temperaturerhöhung der Weltmeere führt zu einem geringeren Haltevermögen an Gasen und damit zu einem Anstieg des CO2 in der Atmosphäre. Wasserdampf stellt in der Atmosphäre ein wirksames Treibhausgas dar. (siehe Treibhauseffekt)
Bei der Erwärmung verdunstet Wasser, es entsteht Verdunstungskälte. Als „trockener“ Dampf (nicht kondensierend) und als „nasser“ Dampf (kondensierend: Wolken, Nebel) enthält und transportiert es latente Wärme, die für sämtliche Wetterphänomene entscheidend verantwortlich ist (siehe auch Luftfeuchtigkeit, Gewitter, Föhn). Die Wärmekapazität des Wassers und die Phänomene der Verdunstungskälte und latenten Wärme sorgen in der Nähe von großen Gewässern für gemäßigte Klimate mit geringen Temperaturschwankungen im Jahres- und Tagesgang. Wolken verringern zudem die Einstrahlung durch die Sonne und die Erwärmung der Erdoberfläche durch Reflexion.
Der aus Wolken fallende Niederschlag und der Wasserdampf (Auskämmung und Photosynthese bzw. Atmung) bewässern die terrestrischen Ökotope. Auf den Landmassen können so Gewässer oder Eismassen entstehen, die auch meso- und mikroklimatische Wirkungen haben. Das Verhältnis von Evapotranspiration (Gesamtverdunstung eines Gebietes) zu Niederschlag entscheidet, ob sich trockene (aride, Steppen, Wüsten) oder feuchte (humide, Wälder, Waldsteppen), Klimate)) bilden. Auf den Landmassen ist außerdem die Vegetation eine klimatische Größe (siehe Klimazonen und Vegetation).
Bedeutung des Wassers für die menschliche Gesundheit
Ein Mangel an Wasser oder eine schlechte Wasserqualität führen beim Menschen und anderen Lebewesen zu gravierenden gesundheitlichen Problemen, da in diesem Fall die Funktionen des Körpers, die auf das Wasser angewiesen sind, eingeschränkt werden. Ein Mensch sollte (nach einer Faustregel) pro Kilogramm 30 ml Wasser am Tag trinken. Bei sportlichen Betätigungen oder besonders warmen Tagen ist das regelmäßige Trinken von Wasser besonders wichtig, hier greift die Faustregel selbstverständlich nicht.
Neben der Wassermenge sollte beim Trinken auch auf die Wasserqualität geachtet werden. Trinkwasser sollte frei von Giftstoffen und gefährlichen Keimen sein. Da diese Überprüfung für einen „Normalmenschen“ nicht ohne weiteres möglich ist, sollten Veränderungen des Wassergeschmacks, -geruchs oder der Farbe als Warnhinweis genommen werden. Es sollte versucht werden, Wasser nicht in die Lungen gelangen zu lassen. Eine dauerhafte Nässe auf der Haut kann zu Hautpilzen führen. In der Medizin wird Wasser unter anderem bei der Inhalation zur Heilung, etwa von Husten, benutzt. Die Anwesenheit von Wasser kann sich auch negativ auf die Gesundheit auswirken, da Wasser bei der Verbreitung von Krankheitserregern beschleunigend wirkt.
In den Religionen hat Wasser häufig einen hohen Stellenwert. Oft wird die reinigende Kraft des Wassers beschworen, zum Beispiel bei den Moslems in Form der rituellen Fußwaschung vor dem Betreten einer Moschee, oder im Hindu-Glauben beim rituellen Bad im Ganges. Die christliche Taufe führt, ursprünglich durch das Untertauchen, heutzutage in den meisten Konfessionen nur noch durch Besprengen mit Wasser, zur Aufnahme in die Kirche. Das Untertauchen oder auch Besprengen mit Wasser steht dabei auch symbolisch für die innere Umkehr des Täuflings hin zu Jesus Christus. Durch die Taufe wird die innere Veränderung nach außen bekräftigt. In der katholischen und orthodoxen Kirche spielt das Weihwasser eine besondere Rolle. Vor allem die reinigende Kraft des Wassers gab immer wieder Anlass, über die Bedeutung des Wassers für das Leben und auch für ein Leben nach dem Tod nachzudenken (siehe Taufe; Weihwasser).
In der Esoterik heißt es, Wasser übertrage Informationen durch die so genannte HADO-Energie. Auch der Begriff des Polymer-Wassers scheint sich hier noch immer zu halten. Der wissenschaftliche Hintergrund: in den 1960er Jahren haben russische Forscher hochreines Wasser mehrfach destilliert. Sie konnten eine winzige Spur einer zähflüssigen Substanz extrahieren. Wiederholungen an anderen Forschungsinstituten ergaben, dass die Quelle für das Polymer-Wasser nicht etwa Wasser, sondern minimale menschliche Schweißabsonderungen waren – Forscherschweiß.
Die zur Trinkwasserversorgung nutzbaren Wasservorkommen werden unterschieden in Niederschlagswasser, Oberflächenwasser in Flüssen, Seen, Talsperren, Grundwasser und Quellwasser. Die Nutzung der Gewässer wird im Wasserhaushaltsgesetz (in Deutschland, Österreich und der Schweiz (?)) geregelt. In Mitteleuropa gibt es eine zuverlässige, weitgehend kostendeckende und hochwertige Wasserversorgung, meist noch durch öffentliche Anbieter. Meist kommt Leitungswasser aus der näheren Region, für die der kommunale Versorger auch ökologisch Verantwortung übernimmt. Der weltweite Wassermarkt hat ein Wachstum wie kaum eine andere Branche. Deshalb haben private Anbieter großes Interesse, Wasser als Handelsware zu definieren, um diesen Markt zu übernehmen.