Fortgeschritten #52

Die Röntgenbeugung zeigt eine ungewöhnlich detaillierte Struktur

Röntgenbeugungsmuster von Wasser zeigen mehr Strukturdetails als für eine einfache Flüssigkeit erwartet.

Wissenschaftliche Erklärung

Richtet man Röntgenstrahlen auf eine Flüssigkeit und analysiert das Beugungsmuster, erhält man die radiale Verteilungsfunktion g(r) — eine Art Wahrscheinlichkeitskarte, die zeigt, wie sich die Nachbarmoleküle in verschiedenen Abständen um ein Referenzmolekül verteilen. Bei einfachen Flüssigkeiten wie Argon oder Stickstoff zeigt g(r) einen einzigen breiten Hauptpeak, gefolgt von schwachen Oszillationen, die schnell auf den Mittelwert abklingen — die Flüssigkeit hat kaum strukturelle Ordnung über die nächsten Nachbarn hinaus.

Wasser zeigt ein völlig anderes Bild. Der erste Peak bei 2,8 Angström (dem typischen Abstand zwischen nächsten Nachbarn in einer Wasserstoffbrücke) ist aussergewöhnlich scharf. Dahinter folgt ein deutlicher zweiter Peak bei etwa 4,5 Angström und sogar ein dritter bei rund 6,5 Angström. Diese multiplen Peaks zeigen, dass die Ordnung in flüssigem Wasser über mehrere Molekülschichten hinweg reicht — ein Verhalten, das sonst eher für Kristalle oder sehr viskose Flüssigkeiten typisch ist.

Diese weitreichende Ordnung entsteht durch das Netzwerk der gerichteten Wasserstoffbrückenbindungen. Jedes Molekül ordnet seine Nachbarn in einer nahezu teträdrischen Geometrie an, und diese lokale Ordnung pflanzt sich über die Brücken in die nächsten Koordinationsschalen fort. Die Schärfe der Peaks nimmt mit der Temperatur ab (bei heisserem Wasser wird die Struktur diffuser), bleibt aber selbst bei 80 Grad Celsius deutlich ausgeprägter als bei den meisten anderen Flüssigkeiten.

X-ray Diffraction Pattern of Liquid Water Schematic of the radial distribution function g(r) of liquid water from X-ray diffraction. The pattern shows a sharp first peak at about 2.8 angstroms (nearest neighbors), a second peak near 4.5 angstroms, and oscillations beyond, revealing far more structural detail than expected for a simple liquid. Distance r (Å) g(r) 0 2.8 4.5 6.5 10 1 0 1st peak (2.8 Å) 2nd peak Water Simple liquid Radial Distribution Function g(r) from X-ray Diffraction
Radiale Verteilungsfunktion aus Röntgenbeugung. Wasser zeigt deutlich mehr Strukturdetail als eine einfache Flüssigkeit.

Alltagsrelevanz

Die detaillierte Struktur von flüssigem Wasser ist einer der Gründe, warum Wasser als Lösungsmittel so ungewöhnlich effektiv ist. Die strukturelle Ordnung beeinflusst, wie Wasser Ionen und Moleküle umgibt (Solvathülle) und wie chemische Reaktionen in wässriger Lösung ablaufen. In der Biochemie bestimmt die Wasserstruktur um Proteine und DNA herum deren Faltung und Funktion. Ohne die besondere Nahordnung von Wasser wäre die Biochemie, wie wir sie kennen, nicht möglich.