Warmes Wasser vibriert länger als kaltes Wasser
Die OH-Streckschwingung in warmem Wasser klingt langsamer ab als in kaltem Wasser.
Wissenschaftliche Erklärung
Jedes Wassermolekül besitzt charakteristische Schwingungsmoden — darunter die OH-Streckschwingung, bei der sich die Wasserstoffatome periodisch vom Sauerstoffatom entfernen und wieder annähern. Wenn man diese Schwingung mit einem ultrakurzen Laserpuls anregt, kann man messen, wie schnell die Schwingungsenergie an die Umgebung abgegeben wird. Die Lebensdauer dieser Schwingung beträgt in flüssigem Wasser typischerweise nur wenige hundert Femtosekunden (10 hoch minus 15 Sekunden).
Das Überraschende: In warmem Wasser klingt diese Schwingung langsamer ab als in kaltem Wasser. Bei den meisten Flüssigkeiten ist es umgekehrt — höhere Temperaturen führen zu stärkeren Stössen zwischen Molekülen und damit zu einer schnelleren Energieabgabe. Wasser verhält sich also kontraintuitiv.
Die Erklärung liegt in der Struktur des Wasserstoffbrückennetzwerks. Bei niedrigen Temperaturen sind die Wasserstoffbrücken stärker und das Netzwerk geordneter. Diese starken Brücken ermöglichen eine effiziente Energieuebertragung zwischen benachbarten Molekülen, sodass die Schwingungsenergie schnell “abfliesst”. Bei höheren Temperaturen werden die Brücken schwäcker und ungeordneter — die Kopplung zwischen den Molekülen nimmt ab, und die Energie bleibt länger im angeregten Molekül gespeichert.
Die Lebensdauer der OH-Streckschwingung steigt von etwa 260 Femtosekunden bei 0 Grad Celsius auf rund 320 Femtosekunden bei 65 Grad Celsius — ein Anstieg von etwa 23 Prozent. Dieser Effekt wurde durch ultraschnelle Infrarot-Spektroskopie präzise vermessen und liefert wertvolle Informationen über die Dynamik des Wasserstoffbrückennetzwerks.
Alltagsrelevanz
Diese Anomalie mag auf den ersten Blick sehr abstrakt erscheinen, hat aber grundlegende Bedeutung für das Verständnis von Wasser auf molekularer Ebene. Die Dynamik der Schwingungen bestimmt, wie schnell Wasser Wärmeenergie aufnehmen und umverteilen kann — ein Prozess, der bei jeder chemischen Reaktion in wässriger Lösung eine Rolle spielt.
Für die Biologie ist dies besonders relevant: Enzyme und Proteine funktionieren in wässriger Umgebung, und die Geschwindigkeit, mit der Wasser Energie umverteilt, beeinflusst direkt die Geschwindigkeit biochemischer Reaktionen. Die temperaturabhängige Änderung der Schwingungsdynamik könnte ein weiterer Baustein sein, der erklärt, warum biologische Prozesse eine optimale Temperatur haben — und warum diese so oft im Bereich der für Wasser typischen Anomalien liegt.