{"id":23063,"date":"2016-09-15T11:00:07","date_gmt":"2016-09-15T09:00:07","guid":{"rendered":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/2016\/09\/15\/langsames-und-schnelles-wasser-im-kochtopf\/"},"modified":"2025-05-14T16:17:43","modified_gmt":"2025-05-14T14:17:43","slug":"langsames-und-schnelles-wasser-im-kochtopf","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/2016\/09\/15\/langsames-und-schnelles-wasser-im-kochtopf\/","title":{"rendered":"Langsames und schnelles Wasser im Kochtopf?"},"content":{"rendered":"

Hinweis: <\/b>Dieser Artikel ist ein Beitrag zum ScienceBlogs Blog-Schreibwettbewerb 2016<\/a>. Hinweise zum Ablauf des Bewerbs und wie ihr dabei Abstimmen k\u00f6nnt findet ihr hier<\/a>.
\n\"sb-wettbewerb\"<\/a><\/i><\/p>\n

Das sagt der Autor des Artikels, Isaak Unger<\/b> \u00fcber sich:<\/b>
\nIsaak Unger hat in Berlin Physik studiert und hat anschlie\u00dfend am Helmholtz-Zentrum Berlin \/ der FU Berlin promoviert (und wartet im Moment auf die Promotionsurkunde). Zur Zeit arbeitet er an der Universit\u00e4t Uppsala in Schweden. Er versucht sich hier im Schreiben eines Blogs mit der Hoffnung der Allgemeinheit etwas f\u00fcr die in seine Forschung investierten Gelder zur\u00fcckzugeben und die eine oder den anderen f\u00fcr die Komplexit\u00e4t kleiner Molek\u00fcle in L\u00f6sung zu begeistern.<\/p>\n

——————————————<\/p>\n

\nDer Titel klingt nach Esoterik und Hom\u00f6opathie? Einh\u00f6rnern und Yetis? Da ist was dran, aber dass dies nur eine Frage der \u00fcberspitzten Formulierung ist, hoffe ich euch im Folgenden n\u00e4her bringen zu k\u00f6nnen. \u00dcberhaupt hoffe ich euch f\u00fcr Wasser auch auf der molekularen Ebene ein wenig interessieren zu k\u00f6nnen. Ob mir das gelingt? \u2013 Mal sehen. Wahrscheinlich macht man sich im Alltag nicht so h\u00e4ufig Gedanken \u00fcber Wasser: Wasserhahn aufdrehen \u2013 da ist es! Wann wird man auch bewusst mit dem Thema Wasser konfrontiert? Beim Wassersparen, Wassermangel, saurem Regen und wenn man den Regenschirm zu Hause vergessen hat. Das sind aber alles Themen, die sich um den Wasserhaushalt drehen und man sollte annehmen, dass so ein kleines, allgemein bekanntes und allgegenw\u00e4rtiges Molek\u00fcl keine gro\u00dfen \u00dcberraschungen mehr bergen sollte. Wasser ist regelrecht langweilig. Dachte ich. Dann begann ich mich aus der Perspektive eines Festk\u00f6rperphysikers dem Thema zu n\u00e4hern und nat\u00fcrlich war auf einmal garnichts mehr einfach. Mehr noch: Ich musste feststellen, dass unser altes, allgegenw\u00e4rtiges und langweiliges Wasser auf vielen Ebenen seher schlecht verstanden ist und viele Anomalien birgt. Die wohl bekannteste ist, dass es sich beim frieren ausdehnt, anstatt sein Volumen weiter zu verringern. Die meisten werden sich noch daran erinnern, dass man geschlossene und gef\u00fcllte Wasserflaschen besser nicht zu lange im Gefrierschrank l\u00e4sst.\n<\/p>\n

\nDie Volumenvergr\u00f6\u00dferung beim Frieren ist aber nur eine der vielen Anomalien dieses kleinen Molek\u00fcls und bis dato ist noch kein umfassendes Modell entwickelt worden, das all diese Anomalien befriedigend erkl\u00e4rt. Allein schon die Anordnung der Molek\u00fcle in normalem, fl\u00fcssigem Wasser ist unter einigen Wissenschaftlern umstritten. Das vorherrschende Modell geht davon aus, dass jedes Wassermolek\u00fcl von vier anderen Wassermolek\u00fclen umgeben ist, die an den Ecken eines Tetraeders angeordnet sind. Zu jedem Nachbarmolek\u00fcl wird eine Wasserstoffbr\u00fcckenbindung aufgebaut (wie ich im Bild versucht habe zu skizzieren). (Wasserstoffbr\u00fcckenbingung? Was war das nochmal? In der Box habe ich es versucht zu umrei\u00dfen.<\/p>\n

\"Bild1\"<\/a><\/p>\n

\nWasserstoffbr\u00fcckenbindungen – was war das nochmal? <\/strong>
\nWasserstoffbr\u00fcckenbindungen sind Bindungen zwischen Molek\u00fclen, die an verschiedenen Stellen unterschiedlich partiell geladen sind (symbolisiert mit δ+<\/sup> bzw. δ–<\/sup>). Im Beispiel ‚Wasser‘ f\u00fchrt der unterschiedliche Elektronegativit\u00e4tswert der Sauerstoff- und Wasserstoffatome zur Ausbildung der Partialladungen. Der Elektronegativit\u00e4tswert gibt dabei, vereinfacht, die F\u00e4higkeit eines Atoms an in einer chemischen Bindung die Elektronen ‚an sich zu ziehen‘. Der Elektronegativit\u00e4tswert von Sauerstoff ist h\u00f6her, als der von Wasserstoff, so dass das Sauerstoffatom die Elektronen ‚an sich zieht‘ und dadurch partiell negativ geladen wird; die Wasserstoffatome werden entsprechend partiell positiv geladen. Kommen sich zwei Wassermolek\u00fcle nahe, so richten sie sich entsprechend dieser intramolekularen Partialladungen zueinander aus. Das l\u00e4uft darauf hinaus, dass ein Wasserstoffatom eines Molek\u00fcls zum Sauerstoffatom des Nachbarmolek\u00fcls zeigt. Die daraus resultierende Anziehung zwischen dem ‚positiv geladenen Ende‘ des einen Wassermolek\u00fcls und dem ’negativ geladenen Ende‘ des Nachbarmolek\u00fcls ist die Wasserstoffbr\u00fcckenbindung.\n<\/div>\n

\nH\u00e4ufig wird davon gesprochen, dass viele Wassermolek\u00fcle ein Wasserstoffbr\u00fccken-Netzwerk aufbauen. Im Wesentlichen entspricht diese Struktur der von Eis. Das mag sich jetzt etwas verwunderlich anh\u00f6ren, schlie\u00dflich entsprechen Eis und fl\u00fcssiges Wasser zwei verschiedenen Aggregatzust\u00e4nden. Der Unterschied zwischen fl\u00fcssigem Wasser und Eis liegt in der Dynamik des Wasserstoffbr\u00fccken-Netzwerks. In fl\u00fcssigem Wasser brechen die Wasserstoffbr\u00fcckenbindungen sehr h\u00e4ufig auf, ein Wassermolek\u00fcl rotiert und sucht sich einen anderen Bindungspartner f\u00fcr die Auspr\u00e4gung einer neuen Wasserstoffbr\u00fcckenbindung. Dieser Prozess dauert ca. 2,3 Picosekunden (billionstel Sekunden) und beeinflusst weitere Wassermolek\u00fcle in der n\u00e4heren Umgebung, die ebenfalls Bindungen aufl\u00f6sen, rotieren und neue Wasserstoffbr\u00fcckenbindungen aufbauen (schlie\u00dflich h\u00e4tten wir sonst ein Wassermolek\u00fcl mit f\u00fcnf und eins mit nur drei Bindungspartnern). In dieser stetigen Fluktuation des Wasserstoffb\u00fccken-Netzwerks liegt begr\u00fcndet, weshalb Wasser flie\u00dft und Eis dies bestenfalls sehr langsam tut (denkt man z.B. an Gletscher).\n<\/p>\n

\nDie Dynamik des Wasserstoffbr\u00fccken-Netzwerks kann durch Fremdk\u00f6rper im Wasser beeinflusst werden. Fremdk\u00f6rper, das k\u00f6nnen schon einfache Ionen sein, wie zum Beispiel Natrium- und Chlorid-Ionen nach dem Aufl\u00f6sen von Kochsalz. In dieser Salzl\u00f6sung befinden sich dann negativ geladene Chlorid-Ionen (Cl–<\/sup>(aq)) und positiv geladene Natrium-Ionen (Na+<\/sup>(aq)). Das ‚(aq)‘ gibt dabei an, dass es sich um Ionen in w\u00e4ssriger L\u00f6sung handelt, die Ionen also von Wassermolek\u00fclen umgeben sind. Um Natrium-Ionen und Chlorid-Ionen ordnen sich je 5 bzw. 7 Wassermolek\u00fcle an, wie im Bild dargestellt – diese Wassermolek\u00fcle bilden die sogenannte erste Solvatschale um das Ion. Je nach Gr\u00f6\u00dfe des Fremdmolek\u00fcls im Wasser kann die erste Solvatschale mehr oder weniger Wassermolek\u00fcle umfassen – so beinhaltet die erste Solvatschale von gro\u00dfen Biomolek\u00fclen wie Proteinen, die selbst hunderte von Atomen beinhalten k\u00f6nnen auch entsprechend mehr Wassermolek\u00fcle.
\nAber zur\u00fcck zur Kochsalzl\u00f6sung und warum muss man die Wassermolek\u00fcle um ein Ion \u00fcberhaupt speziell mit ‚Solvatschale‘ bezeichnen? Es sind doch immernoch einfach nur Wassermolek\u00fcle! In der Tat – Wassermolek\u00fcl ist Wassermolek\u00fcl, aber die Dynamik zwischen den Wassermolek\u00fclen in einer Solvatschale und Wassermolek\u00fclen im bulk<\/i>-Wasser unterscheidet sich. (bulk<\/i>-Wasser bezeichnet an dieser Stelle reines Wasser, das weit genug von allen Grenzfl\u00e4chen, wie z.B. Gef\u00e4\u00dfw\u00e4nden entfernt ist. Leider scheint es im Deutschen keine kurze und sinnvolle \u00dcbersetzung dieses Begriffs zu geben.) Betrachten wir zuerst die Wassermolek\u00fcle um ein positiv geladenes Natrium-Ion.\n<\/p>\n

\"Bild2\"<\/a><\/p>\n

\nDie Wassermolek\u00fcle richten sich entsprechend ihrer Partialladung mit dem Sauerstoffatom zum Ion aus, w\u00e4hrend die Wasserstoffatome vom Ion wegzeigen und Wasserstoffbr\u00fcckenbindungen bilden k\u00f6nnen. Beim negativ geladenen Chlorid-Ion ist es umgekehrt: Eines der Wasserstoffatome richtet sich zum Chlorid-Ion aus, w\u00e4hrend das Sauerstoff-Atom vom Ion wegzeigt. Das zweite Wasserstoffatom wird f\u00fcr die Bildung von Wasserstoffbr\u00fcckenbindungen mit anderen Wassermolek\u00fclen in der Umgebung benutzt. Man kann sich vorstellen, dass auf diese Weise ‚fixierte‘ Wassermolek\u00fcle nicht mehr gleich schnell rotieren und neue Bindungen ausbilden, wie Wassermolek\u00fcle im bulk<\/i>-Wasser. Dieses Bild der ‚fixierten Wassermolek\u00fcle‘ um ein Ion ist genau das, was die Gruppe um Huib Bakker in den Niederlanden durch Messungen untermauert hat. Die Wissenschaftler untersuchten die ‚Steifigkeit‘ des Wasserstoffbr\u00fccken-Netzwerks im bulk<\/i>-Wasser und in der Umgebung von Ionen. Das Ergebnis ist eine um mehr als den Faktor zwei verlangsamte Dynamik der Wassermolek\u00fcle um ein Anion (im obigen Beispiel w\u00e4re dies das Chlorid-Ion, in der Studie waren es Perchlorat-Ionen: ClO4<\/sub>–<\/sup>(aq)). Des Weiteren sch\u00e4tzten die Wissenschaftler die Menge der Wassermolek\u00fcle ab, die von der Anwesenheit der Ionen beeinflusst werden, mit dem Ergebnis, dass lediglich Wassermolek\u00fcle in der ersten Solvatschale eine verlangsamte Dynamik aufweisen.\n<\/p>\n

\nGut, also wissen wir jetzt, dass Wassermolek\u00fcle um Ionen und Fremdmolek\u00fcle eine andere Dynamik aufweisen, als Molek\u00fcle bulk<\/i>-Wasser. Was erkl\u00e4rt uns das nun? Ich habe zwei Gr\u00fcnde im Angebot, warum man dieses Wissen zumindest spannend vielleicht sogar n\u00fctzlich finden kann – ein Grund entspringt eher der Neugier, der andere ist etwas anwendungsorientierter.\n<\/p>\n

\nMit dem oben angesprochenen Konzept der Dynamik von Wassermolek\u00fclen in der Solvatschale kann man sich auf molekularer Ebene erkl\u00e4ren, warum z.B. sehr hoch konzentrierte Salzl\u00f6sungen wesentlich viskoser sind als reines Wasser. Bei hohen Konzentrationen befinden sich fast alle Wassermolek\u00fcle in der Solvatschale von Ionen und entsprechend ist die Dynamik des Aufbrechens und Neuformierens von Wasserstoffbr\u00fcckenbindungen zwischen den Wassermolek\u00fclen verlangsamt und damit auch das Flie\u00dfverhalten der L\u00f6sung. Zumindest ich finde es faszenierend und irgendwie befriedigend mir eine mit blo\u00dfen Augen beobachtbare Gr\u00f6\u00dfe auf der molekularen Ebene erkl\u00e4ren zu k\u00f6nnen.\n<\/p>\n

\nDer zweite Grund ist etwas abstrakter, aber vielleicht weniger von Neugier, als von Nutzen getrieben. Mit dem Wissen um die ver\u00e4nderte Dynamik von Wassermolek\u00fclen in der N\u00e4he von Fremdk\u00f6rpern verstehen wir wesentlich besser, welche Rolle Wasser bei chemischen Reaktionen an Enzymen spielt. Enzyme sind in der Regel Proteine, die im K\u00f6rper ganz bestimmte chemische Reaktionen sehr effizient ablaufen lassen, sie operieren als Katalysatoren. Allerdings wirkt nicht die gesamte Oberf\u00e4che des Proteins als Katalysator, sondern nur ein kleiner Bereich, der zudem noch in einer Art ‚Tasche‘ in der Struktur des Proteins verborgen sein kann. Um die erw\u00fcnschte chemische Reaktion am Protein ablaufen zu lassen, m\u00fcssen zuerst die Ausgangsstoffe zur entsprechenden Stelle des Proteins transportiert werden. Im Anschluss m\u00fcssen die Reaktionsprodukte auch wieder abtransportiert werden, bevor ein weiteres Ausgangmolek\u00fcl umgesetzt werden kann. Diese Transportprozesse finden alle in w\u00e4ssriger L\u00f6sung statt und entsprechend bestimmt die Dynamik der Wassermolek\u00fcle um das Protein und um die Ausgangsstoffe \/ Reaktionsprodukte mit \u00fcber die Geschwindigkeit der chemischen Reaktion. Je schneller die Dynamik der Wassermolek\u00fcle in der entsprechenden Region ist, um so schneller der Stofftransport. Wollen wir also Reaktionen in w\u00e4ssriger L\u00f6sung durch Katalyse effizienter gestalten, sollten wir im Auge behalten, wie der Katalysator strukturiert ist und wie sich das auf die Solvatschale auswirkt. Ich behaupte nicht, dass dieses Wissen aktuell schon viel Anwendung findet, aber es ist ein Thema, das vor allem in Simulationen zur Zeit Aufmerksamkeit genie\u00dft.\n<\/p>\n

\nVon diesem Exkurs zur\u00fcck in die ‚Wirklichkeit‘ zu unserem Kochtopf voll Salzwasser. Ich hoffe euch zwei Dinge n\u00e4her gebracht zu haben: Einmal, dass das langweilige, kleine Molek\u00fcle aus dem wir gr\u00f6\u00dftenteils bestehen noch sehr viele ungel\u00f6ste Fragen aufwirft und zweitens, dass jeder zu Hause die Dynamik von (einigen) Wassermolek\u00fclen mit einer Prise Salz beeinflussen kann.\n<\/p>\n

\nWen das Thema interessiert (und wer Zugang zu den Fachartikeln hat), kann in den folgenden beiden Fachartikeln mehr erfahren:\n<\/p>\n

\n‚Analysis of Water in Confined Geometries and at Interfaces‘, M. D. Fayer & N. E. Levinger, Annual Review of Analytical Chemistry 3, 89 (2010)\n<\/p>\n

\n‚Negligible Effect of Ions on the Hydrogen-Bond Structure in Liquid Water‘, A. M. Omta, M. F. Kropman, S. Woutersen, H. J. Bakker, Science 301, 347 (2003)<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Hinweis: Dieser Artikel ist ein Beitrag zum ScienceBlogs Blog-Schreibwettbewerb 2016. Hinweise zum Ablauf des Bewerbs und wie ihr dabei Abstimmen k\u00f6nnt findet ihr hier. Das sagt der Autor des Artikels, Isaak Unger \u00fcber sich: Isaak Unger hat in Berlin Physik studiert und hat anschlie\u00dfend am Helmholtz-Zentrum Berlin \/ der FU Berlin promoviert (und wartet im […]<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":953,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[11,764],"tags":[2666,3168,355],"class_list":["post-23063","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-naturwissenschaften","category-schreibwettbewerb","tag-blog-schreibwettbewerb","tag-chemie","tag-wasser"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/23063","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=23063"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/23063\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":23064,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/23063\/revisions\/23064"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/media\/953"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=23063"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=23063"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=23063"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}