Die Dielektrizitätskonstante von Wasser und Eis ist hoch
Wasser hat eine der höchsten Dielektrizitätskonstanten aller Flüssigkeiten.
Wissenschaftliche Erklärung
Die statische Dielektrizitätskonstante (relative Permittivität) von Wasser beträgt bei 25 Grad Celsius etwa 80 — ein Wert, der unter Flüssigkeiten aussergewöhnlich hoch ist. Zum Vergleich: Methanol erreicht 33, Ethanol 25, Aceton 21 und unpolare Flüssigkeiten wie Hexan nur knapp 2. Auch Eis hat mit etwa 92 eine bemerkenswert hohe Dielektrizitätskonstante.
Der Grund liegt im starken permanenten Dipolmoment des Wassermoleküls (1,85 Debye) in Kombination mit der Fähigkeit, über Wasserstoffbrücken ein kooperatives Netzwerk zu bilden. In einem elektrischen Feld richten sich die Dipole teilweise aus. Entscheidend ist, dass die Wasserstoffbrücken zwischen den Molekülen eine korrelierte Ausrichtung foerdern: Wenn ein Molekül sich dreht, ziehen die Wasserstoffbrücken benachbarte Moleküle teilweise mit. Diese kooperative Orientierung verstärkt die dielektrische Antwort weit über das hinaus, was das Einzelmolekül-Dipolmoment allein erwarten liesse.
Mathematisch wird dieser kooperative Effekt durch den Kirkwood-Faktor g beschrieben, der bei Wasser etwa 2,7 beträgt — das bedeutet, die effektive Polarisation ist fast dreimal so gross wie die eines isolierten Dipols.
Alltagsrelevanz
Die hohe Dielektrizitätskonstante ist der Hauptgrund, warum Wasser ein so hervorragendes Lösungsmittel für Salze und polare Stoffe ist. Sie schwächen die elektrostatische Anziehung zwischen entgegengesetzt geladenen Ionen um den Faktor 80 ab, sodass Ionen leicht aus dem Kristallgitter herausgelöst werden können. Kochsalz löst sich in Wasser, aber nicht in Öl — das liegt im Wesentlichen an diesem Unterschied. Auch in der Biochemie ist die hohe Dielektrizitätskonstante entscheidend: Sie ermöglicht die Funktion von Enzymen, die Faltung von Proteinen und den Transport von Ionen durch Zellmembranen.