Wasser hat einen ungewöhnlich hohen Schmelzpunkt
Der Schmelzpunkt von Wasser liegt bei 0 Grad Celsius -- viel höher als bei vergleichbaren Molekülen erwartet.
Wissenschaftliche Erklärung
Eis schmilzt bei 0 Grad Celsius — das klingt völlig normal, weil wir es so gewohnt sind. Doch verglichen mit ähnlich aufgebauten Molekülen ist dieser Schmelzpunkt aussergewöhnlich hoch. Die nächsten Verwandten von Wasser in der Gruppe 16 des Periodensystems — Schwefelwasserstoff (H2S), Selenwasserstoff (H2Se) und Tellurwasserstoff (H2Te) — schmelzen alle weit unter minus 40 Grad Celsius.
Der Grund für diesen Unterschied liegt in den Wasserstoffbrückenbindungen. Jedes Wassermolekül kann bis zu vier solcher Brücken zu seinen Nachbarn ausbilden: zwei über die Wasserstoffatome und zwei über die freien Elektronenpaare am Sauerstoff. Dieses dreidimensionale Netzwerk hält die Moleküle viel stärker zusammen als die schwachen Van-der-Waals-Kräfte, die bei H2S und den schwereren Hydriden dominieren.
Um Eis zu schmelzen, muss man dieses Brückennetzwerk teilweise aufbrechen — und dafür braucht man deutlich mehr Energie. Deshalb liegt der Schmelzpunkt von Wasser so hoch, dass er in unseren alltäglichen Temperaturbereich fällt, anstatt irgendwo bei minus 90 Grad Celsius zu liegen, wie man es aufgrund des Molekulargewichts erwarten würde.
Schritt für Schritt
Gruppe-16-Hydride
Wir betrachten die vier Hydride der Gruppe 16: Wasser (H2O), Schwefelwasserstoff (H2S), Selenwasserstoff (H2Se) und Tellurwasserstoff (H2Te). Sie sind chemisch verwandt, unterscheiden sich aber stark im Molekulargewicht.
Der erwartete Trend
Bei normalen Molekülen gilt: je schwerer, desto höher der Schmelzpunkt. Von H2Te über H2Se zu H2S sinkt der Schmelzpunkt gleichmässig. Dieser Trend sollte sich für H2O fortsetzen.
Wassers tatsächliche Position
Nach dem Trend müsste H2O bei etwa minus 100 Grad Celsius schmelzen. Tatsächlich liegt der Schmelzpunkt bei 0 Grad Celsius -- rund 100 Grad höher als erwartet. Ein gewaltiger Sprung.
Wasserstoffbrücken
Der Grund: Wassermoleküle bilden ein starkes Netzwerk aus Wasserstoffbrückenbindungen. Um dieses Netzwerk aufzubrechen, braucht man viel mehr Energie als bei den schwereren Hydriden, die nur schwache Van-der-Waals-Kräfte haben.
Alltagsrelevanz
Dieser hohe Schmelzpunkt hat tiefgreifende Folgen für unser tägliches Leben und die gesamte Erde. Wäre Wasser ein “normales” Molekül, läge sein Schmelzpunkt bei etwa minus 90 Grad Celsius — weit unter den Temperaturen, die auf der Erdoberfläche herrschen. Es gäbe kein Eis, keine Gletscher, keinen Schnee. Flüsse und Seen würden niemals zufrieren.
Gerade weil der Schmelzpunkt bei 0 Grad Celsius liegt, erleben wir den ständigen Wechsel zwischen Eis und flüssigem Wasser: Schneefall im Winter, Eiswürfel im Getränk, Frost auf der Windschutzscheibe. Dieser Phasenübergang bei einer für uns erreichbaren Temperatur macht Wasser zum einzigen Stoff, den wir im Alltag regelmässig in allen drei Aggregatzuständen antreffen.