Wasser hat einen ungewöhnlich hohen kritischen Punkt
Der kritische Punkt von Wasser liegt ungewöhnlich hoch bei 374 Grad Celsius und 218 atm.
Wissenschaftliche Erklärung
Jede Substanz besitzt einen kritischen Punkt — eine Kombination aus Temperatur und Druck, oberhalb derer die Unterscheidung zwischen flüssiger und gasförmiger Phase aufhört zu existieren. Bei Wasser liegt dieser Punkt bei 374 Grad Celsius und 22,1 MPa (rund 218 Atmosphären). Im Vergleich dazu hat Schwefelwasserstoff seinen kritischen Punkt bei nur 100 Grad Celsius und 9 MPa, und Kohlendioxid bei 31 Grad Celsius und 7,4 MPa.
Der ungewöhnlich hohe kritische Punkt von Wasser ist eine direkte Folge der starken Wasserstoffbrückenbindungen. Damit die Grenze zwischen flüssig und gasförmig verschwindet, müssen die zwischenmolekularen Anziehungskräfte vollständig überwunden werden. Bei Wasser sind diese Kräfte so stark, dass dafür extreme Bedingungen notwendig sind.
Oberhalb des kritischen Punktes befindet sich Wasser im überkritischen Zustand. Überkritisches Wasser verhalt sich weder wie eine typische Flüssigkeit noch wie ein Gas: Es hat die Dichte einer Flüssigkeit, aber die Beweglichkeit eines Gases. Es kann unpolare Stoffe lösen, die sich in normalem Wasser nicht lösen würden, und seine dielektrische Konstante sinkt drastisch. Diese Eigenschaften machen überkritisches Wasser zu einem bemerkenswerten Lösungsmittel mit einzigartigen chemischen Reaktivitäten.
Der hohe kritische Punkt bedeutet auch, dass Wasser über einen sehr grossen Temperatur- und Druckbereich als stabile Flüssigkeit existieren kann — von 0 Grad Celsius bei Normaldruck bis hinauf zu 374 Grad Celsius unter hohem Druck. Dieser weite Stabilitätsbereich ist für geologische und hydrothermale Prozesse von entscheidender Bedeutung.
Alltagsrelevanz
Der hohe kritische Punkt hat weitreichende Konsequenzen für Natur und Technik. In der Tiefe der Ozeane, an hydrothermalen Schloten (sogenannten “Schwarzen Rauchern”), erreicht Wasser Temperaturen von über 400 Grad Celsius, bleibt aber wegen des enormen Drucks flüssig. An diesen Orten haben sich einige der ältesten Lebensformen der Erde entwickelt.
In der Industrie wird überkritisches Wasser zunehmend als umweltfreundliches Lösungsmittel eingesetzt — etwa bei der Zerstörung giftiger Abfälle oder bei der Entkoffeinierung von Kaffee. Kraftwerke nutzen überkritische Dampfkreisläufe, um den Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung zu steigern. Ohne den hohen kritischen Punkt von Wasser wären all diese Anwendungen nicht möglich.