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Drei aus eins

Die Aggregatzustände des Wassers

Ob Wasser uns als Flüssigkeit im Trinkglas oder am Meer begegnet, als flüchtiger Dampf oder als hartes, glattes Eis, ist eine Frage der Umweltbedingungen: Die Schmelz- und Siedepunkte des Wassers hängen vom jeweiligen Druck ab, der wiederum von der oberen Erdatmosphäre bis zur Tiefsee oder dem Erdinnern über viele Größenordnungen variiert. Bei so genanntem Normaldruck von einer Atmosphäre (1 atm = 1, 015 bar) erstreckt sich der flüssige Bereich vom Schmelzpunkt bei 0° Celsius oder 273 Kelvin bis zum Siedepunkt bei 100°C (373 K). Auf dem Mount Everest in fast 9.000 Meter Höhe beträgt der Druck nur noch etwa ein Drittel des Normaldrucks. Das Teewasser würde hier viel schneller kochen, denn Wasser siedet dann schon bei 70°C.

Von Druck und Temperatur hängt ab, ob das Wasser flüssig, fest oder gasförmig ist. Oberhalb eines sog. Kritischen Punktes (KP: 374°C) lässt sich kein Aggregatzustand mehr zuordnen. Dargestellt sind verschiedene feste Phasen (Eis – Ih bis Eis VII), die sich in Struktur und Eigenschaften unterscheiden. Nicht alle bekannten Phasen des Eises fallen in den in der Abbildung gezeigten Temperatur- und Druckbereich. (gelb: feste Phasen, blau: flüssige und gasförmige Phasen) © ChemieRUBIN

Das Zustandsdiagramm zeigt, wie sich der Aggregatzustand in Abhängigkeit von Druck- und Temperatur verändert: Erhöht sich der Druck über ein bar, dann bleibt das Wasser auch oberhalb des normalen Siedepunktes von 100 °C flüssig. Zwischen Dampf und Flüssigkeit zu unterscheiden, ist nur bis zu einer bestimmten, „kritischen Temperatur“ sinnvoll. Bei Wasser liegt diese Obergrenze – der so genannte Kritische Punkt (KP) – bei 374 °C.

Bei noch höheren Temperaturen verdichtet sich das Gas immer mehr und ähnelt dann zwar wieder einer Flüssigkeit, hat aber andere physikalische Eigenschaften. Dieses so genannte überkritische Wasser besitzt faszinierende Lösungsmitteleigenschaften, die zum Beispiel bei der Mineralbildung in den Hydrothermalsystemen im Erdinnern eine wichtige Rolle spielen. Auch in der inneren Atmosphäre der Planeten Jupiter und Saturn liegt vermutlich überkritisches Wasser im Gemisch mit Gasen wie Ammoniak, Helium und Methan vor.

Von Druck und Temperatur hängt ab, ob das Wasser flüssig, fest oder gasförmig ist. Oberhalb eines sog. Kritischen Punktes (KP: 374°C) lässt sich kein Aggregatzustand mehr zuordnen. Dargestellt sind verschiedene feste Phasen (Eis – Ih bis Eis VII), die sich in Struktur und Eigenschaften unterscheiden. Nicht alle bekannten Phasen des Eises fallen in den in der Abbildung gezeigten Temperatur- und Druckbereich. (gelb: feste Phasen, blau: flüssige und gasförmige Phasen) © ChemieRUBIN

Bei genügend hohen Drücken gehen selbst heißes Wasser und sogar Wasserdampf in den festen Zustand über – sie werden zu Eis. Mit verschiedenen Techniken gelingt es, diese Prozesse im Labor nachzuvollziehen. Das physikalische Gesetz „Druck ist Kraft pro Fläche“ nutzend, erzeugen Wissenschaftler mit vergleichsweise geringen Kräften hohe Drücke in einer winzigen so genannten Diamantstempelzelle.

Unter kosmischen Bedingungen ist das uns so vertraute flüssige Wasser eine Seltenheit. Zwar wurden Eis und Wasserdampf extraterrestrisch nachgewiesen, jedoch bisher noch kein flüssiges Wasser. Indem die Forscher danach suchen – zum Beispiel bei den Marsmissionen der NASA und ESA – hoffen sie, auch Leben außerhalb unseres Planeten zu finden.

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Aber selbst der flüssige Zustandsbereich ist bei extremen Temperatur- und Druckbedingungen für Leben ungeeignet, wenn biomolekulare Strukturen zerstört werden wie beim Kochen oder bei Erfrierungen. Obwohl Lebewesen eine erstaunliche Anpassungsfähigkeit zeigen – Archaeobakterien wurden in der Tiefsee in der Nähe von Vulkanschloten bei Temperaturen von 120°C nachgewiesen – denaturieren komplexe Systeme in der Regel bereits weit unter 100°C.

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Stand: 07.01.2005

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Rätsel Wasser
Ein Lösungsmittel mit Geheimnissen

Drei aus eins
Die Aggregatzustände des Wassers

Zwei Wasserstoff, ein Sauerstoff
Einfache Formel - einzigartige Eigenschaften

Eis ist nicht gleich Eis
Gefrorenes Wasser unter der Lupe

Wasser als Biobaustoff
Faltungen auf der Spur

Druckkammer aus Diamant
Experimentieren: Hohe Drücke ohne viel Kraft

Von Kernen und Elektronen zu Molekülen
Simulation der Wechselwirkungen des Wassers

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