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Die Funktion des Wassers in einer Zelle: Die tierische Zelle besteht zu ca. 70% aus Wasser. Aufgrund seines dipolen Charakters dient Wasser als Lösungsmittel für Ionen und Salze und ermöglicht deren Transport durch die Membrane. Wasser ist außerdem ein wichtiger Reaktionspartner in Stoffwechselprozessen und dient als Mittel zur Temperaturregulation in einer Zelle.
Die Anomalie des Wasser Oberhalb des absoluten Nullpunkts von 0 K bewegt sich jedes Atom, auch wenn es zu einem festen Stoff verbunden ist. Diese Bewegung ist von der Temperatur abhängig; wird es wärmer, nimmt die Bewegung zu, wird es kälter, verhalten sich auch die Moleküle träger. Bis zu einer bestimmten Temperatur, beim Wasser 0 °C, liegt ein Stoff in in fester Form vor; die Atome bewegen sich sowenig, daß ein fester Stoff vorliegt, die Atome liegen in Kristallgittern vor. Dieser Punkt wird auch als Festpunkt oder beim Wasser als Gefrierpunkt bezeichnet. Ab einer bestimmten Temperatur bewegen sich die Teilchen so stark, daß sie in den gasförmigen Zustand übergehen. Dieser Punkt wird als Verdampfungspunkt, oder beim Wasser auch als Siedepunkt, bezeichnet.
Wasser bildet aufgrund der Anziehung eines Wasserstoffatom mit dem Sauerstoffatoms eines anderen Wassermoleküls sog. Wasserstoffbrücken. Diese Brückenbildung ist abhängig von der Bewegung der Teilchen.
Bei einer Temperatur von 4 °C (bei Normaldruck und auf Meereshöhe) ist die Bewegung optimal, so daß sich die Wassermoleküle aufgrund der Brückenbildung eng aneinander schmiegen. Die Dichte des Wasser beträgt bei dieser Temperatur 1 g/cm³. Unterhalb dieser Temperatur bewegen sich die Moleküle sowenig, daß gelöste Brücken nicht schnell genug wieder verbunden werden können. Die Dichte des Wasser beträgt daher unter 0 °C 0,9168 g/cm³, bei genau 0 °C 0,9999 g/cm³. Ab 4 °C nimmt die Dichte wieder ab, da die Bewegung so groß ist, daß Wasserstoffbrücken schnell wieder gelöst werden. Die Dichtezunahme beim Verfestigen läßt sich wie folgt erklären: Beim Gefrieren bildet sich aus den losen, nur über Wasserstoffbrücken verbundenen Wassermoleküle ein weitmaschiges, mit zahlreichen Hohlräumen durchsetztes Kristallgitter, das mehr Platz einnimmt, als die Einzelmoleküle. Im Folgenden eine Liste verschiedener Dichten des Wassers bei verschiedenen Temperaturen (jeweils in g/cm³ und bei Normaldruck in Meereshöhe): 0°C 0,9168; 1°C 0,9999; 4°C 1,0000; 10°C 0,997; 15°C 0,9991; 20°C 0,9982; 25°C 0,9971; 100°C 0,9584) Was bedeutet dies für die Praxis? Das Phänomen der Anomalie begegnet uns in jedem Gewässer. Im Frühjahr, wenn das Wasser auf 4°C erwärmt wurde, sinkt es nach unten. Neues Wasser gelangt an die Oberfläche und wird ebenfalls erwärmt, bis das gesamte Wasser eine Temperatur von 4°C hat. Wird das Wasser immer weiter erhitzt, bilden sich in dem Gewässer 3 Schichten unterschiedlicher Temperaturen (und demnach auch Dichte). Die oberste (Epilimnion) hat die höchste Temperatur. In dieser Schicht zirkuliert das Wasser. In der letzte Schicht (Metalimnion oder Springschicht)fällt die Temperatur rapide ab. Die nächste Schicht (Hypolimnion) hat eine Temperatur von 4°C. Im Herbst, wenn das Wasser wieder abkühlt gleicht sich die Temperatur wieder aus und das gesamte Gewässer hat eine Temperatur von 4°C. Kühlt im Winter das Wasser weiter ab, so bildet sich auf der Oberfläche - aufgrund der Dichte schwimmt das kältere Wasser oben und der Teich friert von oben nach unten zu, nicht von unten nach oben - eine Eisschicht, die mit Abnahme der Temperatur immer dicker wird. Die Phasen, in denen das Wasser zirkuliert (Hebst und Winter) nennt man Zirkulationsphasen, die, in denen das Wasser nicht (Winter) oder nur an der Oberfläche zirkuliert nennt man Stagnationsphasen. Ließe sich Wasser in einem Thermometer verwenden? |