Fortgeschritten #13

Wassermoleküle schrumpfen bei steigender Temperatur und dehnen sich bei steigendem Druck aus

Entgegen der Intuition werden die einzelnen Wassermoleküle bei Erwärmung kleiner.

Wissenschaftliche Erklärung

Die meisten Moleküle werden bei Erwärmung grösser: Höhere Temperaturen bedeuten stärkere Schwingungen, die die Atome im Durchschnitt weiter auseinanderrücken. Bei Wasser passiert das Gegenteil — die O-H-Bindungslänge im einzelnen Wassermolekül nimmt bei steigender Temperatur ab. Das Molekül schrumpft.

Dieser Effekt wurde durch Neutronenbeugungsexperimente präzise vermessen. Die O-H-Bindungslänge in flüssigem Wasser beträgt bei 4 Grad Celsius etwa 0,991 Angström und sinkt bei 77 Grad Celsius auf etwa 0,985 Angström. Obwohl diese Änderung winzig erscheint (weniger als 1 Prozent), ist sie statistisch signifikant und widerspricht dem normalen Verhalten.

Die Ursache liegt in der Wechselwirkung zwischen den kovalenten O-H-Bindungen innerhalb des Moleküls und den Wasserstoffbrückenbindungen zu den Nachbarmolekülen. Bei niedrigen Temperaturen sind die Wasserstoffbrücken stärker: Sie “ziehen” am Wasserstoffatom und längern dadurch die O-H-Bindung im Molekül. Bei höheren Temperaturen werden die Wasserstoffbrücken schwächter, der Zug lässt nach, und die kovalente O-H-Bindung kann sich auf ihre natürliche, kürzere Länge zusammenziehen.

Parallel dazu dehnen sich die Moleküle bei steigendem Druck aus — ebenfalls kontraintuitiv. Hoher Druck drückt die Nachbarmoleküle näher zusammen, verstärkt die Wasserstoffbrücken und längert dadurch die O-H-Bindung. Es ist ein faszinierendes Wechselspiel: Die Umgebung des Moleküls (das Wasserstoffbrückennetzwerk) beeinflusst die innere Geometrie des Moleküls selbst.

Water Molecule O-H Bond Length vs Temperature Diagram showing that the O-H bond length in individual water molecules decreases as temperature increases, contrary to the typical thermal expansion behavior. The left side shows a larger molecule at low temperature and the right side shows a smaller molecule at high temperature, with a graph showing the declining bond length. Temperature (°C) O–H Bond Length 0 50 100 Shrinking! Cold O H H Warm O H H O–H Bond Length Decreases with Temperature
Die O-H-Bindungslänge im Wassermolekül nimmt mit steigender Temperatur ab — das Molekül schrumpft.

Alltagsrelevanz

Obwohl das Schrumpfen einzelner Moleküle im Alltag nicht direkt spürbar ist, hat es grundlegende Auswirkungen auf das Verhalten von Wasser als Lösungsmittel. Die Länge und Stärke der O-H-Bindung bestimmt, wie gut Wasser andere Moleküle lösen und mit ihnen reagieren kann. In der analytischen Chemie wird die temperaturabhängige Verschiebung der O-H-Streckschwingung (die direkt mit der Bindungslänge zusammenhängt) routinemässig als “internes Thermometer” für Wasserstoffbrückenbindungen genutzt.

Für die Materialwissenschaft zeigt dieses Phänomen, wie stark die lokale Umgebung die Eigenschaften einzelner Moleküle beeinflussen kann — eine Erkenntnis, die auch für das Design neuer Materialien und Katalysatoren relevant ist, bei denen Wasser als Reaktionsmedium dient.