Fortgeschritten #6

Die Struktur von flüssigem Wasser verändert sich bei hohem Druck

Unter hohem Druck verändert sich die Nahordnung des flüssigen Wassers grundlegend.

Wissenschaftliche Erklärung

Unter Normalbedingungen bildet flüssiges Wasser ein lockeres, teträdrisches Netzwerk: Jedes Molekül ist im Durchschnitt von etwa vier Nachbarn umgeben, die über Wasserstoffbrücken verbunden sind. Diese offene Struktur ähnelt der von Eis Ih und ist der Grund für viele der ungewöhnlichen Eigenschaften von Wasser.

Wird der Druck jedoch auf mehrere Tausend Atmosphären (Gigapascal-Bereich) erhöht, bricht diese teträdrische Ordnung zusammen. Zusätzliche Moleküle werden in die Lücken des Netzwerks gepresst — sogenannte interstitielle Moleküle. Die Zahl der nächsten Nachbarn steigt von etwa vier auf acht bis zwölf. Die Wasserstoffbrücken werden verzerrt und teilweise gebrochen, und die Struktur ähnelt nun eher einer dicht gepackten Flüssigkeit.

Bemerkenswert ist, dass dieser Übergang nicht abrupt erfolgt, sondern kontinuierlich. Mit steigendem Druck verschiebt sich das Gleichgewicht zwischen der offenen, teträdrischen Anordnung und der dichteren, weniger geordneten Struktur. Röntgen- und Neutronenbeugungsexperimente zeigen, wie sich die radialen Verteilungsfunktionen — also die Wahrscheinlichkeit, ein Nachbarmolekül in einem bestimmten Abstand zu finden — mit dem Druck systematisch verändern.

Water Structure Change Under High Pressure Schematic showing how the tetrahedral hydrogen bond network of liquid water collapses under high pressure, with the first coordination shell shifting from about 4 neighbors to about 8-12 neighbors as interstitial molecules fill the gaps. Low Pressure O ~4 neighbors tetrahedral High P High Pressure O ~8-12 neighbors collapsed network H-bonded neighbors Interstitial molecules Water Structure Under Pressure
Strukturwandel des flüssigen Wassers unter Druck: vom teträdrischen Netzwerk zur kollabierten Anordnung mit interstitiellen Molekülen.

Alltagsrelevanz

Dieser Strukturwandel erklärt, warum Wasser bei hohem Druck viele seiner Anomalien verliert — es verhält sich zunehmend wie eine “normale” Flüssigkeit. In der Tiefsee, wo der Druck mit jedem zehn Meter Tiefe um etwa eine Atmosphäre steigt, beginnen sich die Wassereigenschaften messbar zu verändern. Für die Geowissenschaften ist dieses Verhalten wichtig, da Wasser in der Erdkruste und im oberen Erdmantel unter extrem hohen Drücken existiert und dort chemische Reaktionen und die Mineralogie beeinflusst.