Wasser

Keine Substanz hat mehr wissenschaftliches und technologisches Interesse geweckt als Wasser. Dafür gibt es im Wesentlichen zwei Gründe. Erstens ist Wasser wichtiger Bestandteil der Erdoberfläche und als solcher unverzichtbar für die Genesis des Lebens, zweitens zeigt es in Reinsubstanz und in Lösung eine faszinierende Reihe ungewöhnlicherEigenschaften.

 

Die Bedeutung von Wasser wird beschrieben in Monographien wie ¹Properties of Ordinary Water Substanceª von Dorsey (1940),[1] in dem Kompendium ¹Water. A Comprehensive Treatise, Vol. 1 ± 7ª, herausgegeben von Franks (1972 ± 1982),[2] dem Buch ¹Metastable Liquidsª von Debenedetti (1996)[3] und in Balls populärem Ausflug in die¹Geschichteª des Wassers ¹H2OÐA Biography of Waterª (1999).[4] Diese Standardwerke gehen einher mit Tausenden von Aufsätzen, Fortschrittsberichten und Kurzmitteilungen.


Zu den Highlights dieser Beiträge gehören Bernal und Fowlers ¹A theory of water and ionic solution, with particular reference to hydrogen and hydoxyl ionsª,[5] Narten und Levys¹Observed diffraction pattern and proposed models of liquid waterª,[6] Stillingers ¹Water Revisitedª [7] sowie Mishima und Stanleys Aufsatz über ¹The relationship between liquid, supercooled and glassy waterª.[8] Sie alle zeigen, dass Wasser eines der aufregendsten Rätsel der heutigen Wissenschaft ist.


Jüngste Fortschritte auf einigen Feldern der Wasserwissenschaft erfordern eine neue, ergiebige Zusammenfassung der wichtigen Resultate der letzten fünf Jahre. Die Themen betreffen die Entdeckung neuer Eisphasen,[9, 10] neue Einsichten in unterkühltes und glasartiges Wasser[8, 11, 12] sowie ein besseres Verständnis des hochmobilen Ionentransports in Wasser.[13, 14]


Der vorliegende Aufsatz konzentriert sich auf die aktuellen Entwicklungen bei der Berechnung und der Messung von Wasserclustern und ihren Eigenschaften. Dieses Interesse rührt daher, dass die Untersuchung von kleinen Wasserclustern geeignet scheint, die charakteristischen Strukturmerkmale und Bindungsmechanismen beim Übergang vonClustern in die Bulkphase zu studieren. Wir fragen uns also, ob es einen kontinuierlichen Weg von der Gasphase in die Flüssigkeit gibt. Liegen Hinweise aus Theorie und Experiment vor, die vermuten lassen, dass Gasphasencluster auch wesentliche Konstituenten der flüssigen Phase sein können?

 

Der Aufsatz ist folgendermaûen gegliedert: Zunächst werden einige Anomalien des Wassers beschrieben. Die meisten der ungewöhnlichen Eigenschaften des Wassers lassen sich qualitativ aus seinen charakteristischen Bindungs-Eigenschaften verstehen. Deshalb werden eingehend das Phänomen der Wasserstoffbrückenbindung (H-Brücke) und deren mögliche Anordnungen im Wasser diskutiert.

 

Als typische dreidimensionale Netzwerke werden die Kristallstrukturen von hexagonalem Eis Eh und Clathrathydraten vorgestellt. Mehrkörper-Wechselwirkungen entscheiden über die Gröûe und Anordnung der Wasserkomplexe. Folglich werden die jüngsten theoretischen und experimentellen Hinweise auf kooperative Effekte in H-Brücken gebundenen Systemen diskutiert. Diesem Abschnitt folgt eine kurze Einführung in zwei bekannte Wasserkonzepte, das Mischungsmodell und das Kontinuummodell.


Eine Übersicht von berechneten Wasserclustern reicht von kleinen Ringstrukturen bis hin zu ikosaedrischen Netzwerken. Die wesentlichen Eigenschaften der Wasserstrukturen hinsichtlich experimenteller Befunde und ihrer möglichen Relevanz für Wassermodelle werden besprochen.


Der nachfolgende Abschnitt beschreibt die aufregenden spektroskopischen Methoden, die jüngst den Nachweis von kleinen Wasserclustern erlaubt haben: kleine, quasiplanare Ringstrukturen (n ˆ 3 ± 5), isomere Hexamere (n ˆ 6), die den Übergang von planaren cyclischen zu dreidimensionalen Strukturen markieren, sowie gröûere Cluster in der so genannten Käfigregion (n ˆ 7 ± 12). Der Aufsatz schlieût mit kürzlich eingeführten Clustermodellen für flüssiges Wasser. Alle Modelle basieren auf berechneten Wasserstrukturen. Dabei wird angenommen, dass solche Cluster Konstituenten der flüssigen Phase sein können. Am Ende steht eine kurze Diskussion darüber, inwieweit diese Modelle in der Lage sind, die Eigenschaften des flüssigen Wassers einschlieûlich seiner Anomalien zu erklären.

 

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