Wasser als Stoff und Lebensgrundlage
Du drehst den Wasserhahn auf, und sauberes Wasser läuft heraus. Im Winter liegt Eis auf dem Teich, doch darunter schwimmen die Fische. Im Sommer trocknet eine Pfütze aus, und am nächsten Tag regnet es. Und was du in den Abfluss gießt, ist plötzlich weg.
Warum schwimmt Eis? Woher kommt der Regen? Wie wird aus Flusswasser Trinkwasser, und wohin fließt das Abwasser? Wasser ist ein Stoff mit besonderen Eigenschaften, und du brauchst es jeden Tag.
Wasser in drei Aggregatzuständen
Wasser kommt bei uns in der Natur in allen drei Zuständen vor. Es schmilzt und erstarrt bei 0 °C und siedet bei 100 °C, auf Meereshöhe.
| Zustand | Name | Beispiele |
|---|---|---|
| fest | Eis | Teicheis, Schnee, Hagel, Eiszapfen |
| flüssig | Wasser | Regen, Bach, Meer |
| gasförmig | Wasserdampf | unsichtbar in der Luft |
Nebel und Wolken sind kein Dampf, sondern winzige Tröpfchen, also flüssig. Wasser geht auch unter 100 °C in die Luft: Nasse Wäsche trocknet. Dieses langsame Verdampfen an der Oberfläche heißt Verdunsten. Einzelne besonders schnelle Teilchen lösen sich von der Oberfläche und fliegen davon. Bei Wärme und Wind geht es schneller.
Zustandswechsel im Alltag
Zustandswechsel im Alltag
Benenne den Wechsel: a) Eine Pfütze trocknet bei 15 °C aus. b) Ein Teich friert zu. c) Deine Brille beschlägt, wenn du aus der Kälte in einen warmen Raum kommst. d) Schnee liegt in der Sonne und wird zu Wasser.
a) Flüssig zu gasförmig, aber unter 100 °C: Verdunsten.
b) Flüssig zu fest: Erstarren.
c) Der unsichtbare Wasserdampf der Raumluft trifft auf das kalte Glas, wird langsamer und wird flüssig: Kondensieren. Die Tropfen sind das Beschlagen.
d) Fest zu flüssig: Schmelzen.
Dichte und die Dichteanomalie des Wassers
Die Dichte sagt, wie viel ein Stoff bei einer bestimmten Größe wiegt. Man gibt an, wie viel Gramm 1 cm³ wiegt.
| Stoff | Masse von 1 cm³ |
|---|---|
| Wasser bei 4 °C | 1 g |
| Eis bei 0 °C | etwa 0,92 g |
Bei fast allen Stoffen zieht sich der Festkörper beim Erstarren zusammen und ist dichter als die Flüssigkeit. Wasser ist die Ausnahme. Das heißt Dichteanomalie („Abweichung“). Kühlst du Wasser ab, wird es bis 4 °C dichter. Bei 4 °C ist es am dichtesten. Beim Erstarren dehnt es sich dann aus, und das Eis ist weniger dicht als Wasser. Darum schwimmt Eis. Bei einem Eisberg ragt nur etwa ein Zehntel aus dem Wasser.
Im Teilchenmodell: Im Eiskristall sitzen die Teilchen in einer regelmäßigen Ordnung mit viel Platz dazwischen. Beim Schmelzen bricht die Ordnung zusammen, und die Teilchen rücken enger zusammen.
Das hat Folgen. Auf einem See schwimmt das Eis oben und schützt das Wasser darunter. Das 4 °C warme Wasser sinkt auf den Grund, und der See friert nicht ganz zu. Darum überleben Fische den Winter. Volle Flaschen und Wasserrohre platzen bei Frost.
Wie viel wiegt ein Eisklotz?
Wie viel wiegt ein Eisklotz?
Ein Eisklotz hat ein Volumen von 500 cm³. Wie viel Gramm wiegt er? Wie viel Wasser entsteht, wenn er schmilzt?
Das Eis wiegt 0,92 g je cm³. 100 cm³ wiegen also 92 g. In 500 cm³ stecken 5 mal 100 cm³. 5 mal 92 ist 460. Der Klotz wiegt 460 g.
Beim Schmelzen bleibt die Masse gleich. Es entstehen 460 g Wasser. 1 cm³ Wasser wiegt 1 g, also nehmen die 460 g Wasser 460 cm³ ein. Das Volumen ist von 500 cm³ auf 460 cm³ gesunken, also um 40 cm³.
Wasser als Lösemittel
Wasser löst viele Stoffe: Zucker, Salze und auch Gase wie Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid, das Gas im Sprudel. Fett und Öl löst es nicht.
Das ist für das Leben wichtig. Fische atmen den Sauerstoff, der im Wasser gelöst ist. Pflanzen nehmen Nährstoffe gelöst mit dem Wasser aus dem Boden auf. Im Körper werden Stoffe gelöst im Blut transportiert.
Darum ist Wasser in der Natur nie ein Reinstoff. Meerwasser enthält etwa 35 g Salz in 1000 g Meerwasser. Regen, Bach und Quelle enthalten gelöste Stoffe. Gase lösen sich in kaltem Wasser besser als in warmem. Warme Limonade sprudelt darum stärker und wird schneller schal. Im heißen Sommer enthält ein See weniger Sauerstoff.
Der Wasserkreislauf
Die Wassermenge der Erde bleibt gleich, aber das Wasser ist ständig unterwegs. Die Sonne treibt diesen Wasserkreislauf an.
| Schritt | Was geschieht | Wechsel |
|---|---|---|
| Verdunsten | Die Sonne wärmt Meer, See und Boden. Wasser geht als Dampf in die Luft, auch Pflanzen geben Wasser ab. | flüssig zu gasförmig |
| Wolkenbildung | Die feuchte Luft steigt auf und kühlt ab. Der Dampf kondensiert zu winzigen Tröpfchen. | gasförmig zu flüssig |
| Niederschlag | Die Tröpfchen werden zu Regentropfen. Bei Kälte fällt Schnee. | bei Schnee: zu fest |
| Abfließen | Wasser fließt in Bächen und Flüssen zum Meer oder sickert in den Boden und wird zum Grundwasser. | keiner |
Dann beginnt der Kreislauf von vorn.
Trinkwasser, Brauchwasser und Abwasser
| Art | Bedeutung | Beispiele |
|---|---|---|
| Trinkwasser | so sauber, dass man es trinken und zum Kochen benutzen kann, streng geprüft | Wasser aus dem Hahn |
| Brauchwasser | wird zum Waschen, Putzen, Gießen oder Kühlen benutzt und muss nicht Trinkwasserqualität haben | Regenwasser im Garten, Kühlwasser in Fabriken |
| Abwasser | gebrauchtes, verschmutztes Wasser | Wasser aus Dusche, Toilette und Fabrik |
Trinkwasser kommt in Deutschland meist aus dem Grundwasser, dem Wasser im Boden. Im Wasserwerk wird es gesiebt, durch Sand und Kies filtriert und auf Bakterien geprüft, die krank machen könnten.
Abwasser fließt durch die Kanalisation, die Rohre unter der Straße, zur Kläranlage. Dort geschieht dies:
- Ein Rechen, also ein Gitter, fängt grobe Stoffe wie Papier und Äste.
- Im Absetzbecken sinken Sand und Schlamm nach unten (Sedimentieren).
- Kleinstlebewesen bauen gelöste Schmutzstoffe ab.
- Danach sinken die Reste wieder ab, und das saubere Wasser fließt in den Fluss.
Nutzung von Wasser
Jeder Mensch in Deutschland nutzt am Tag etwa 125 Liter Trinkwasser. Gut ein Drittel davon geht für Duschen, Baden und Körperpflege weg, gut ein Viertel für die Toilettenspülung. Für Essen und Trinken sind es nur wenige Liter. Weltweit braucht die Landwirtschaft das meiste Wasser, etwa 70 von 100 Litern, für die Felder. Dann folgen Industrie und Haushalte.
Von allem Wasser der Erde sind nur etwa 3 von 100 Litern Süßwasser, der Rest ist Salzwasser im Meer. Der größte Teil des Süßwassers ist als Eis an den Polen und in den Bergen gebunden. Wasser geht nie verloren, es bleibt im Kreislauf. Aber sauberes Süßwasser, das wir nutzen können, ist knapp. Darum spart man: Dusche statt Wanne, Hahn beim Zähneputzen zudrehen, tropfende Hähne reparieren und Regenwasser sammeln.
Duschen oder Baden
Duschen oder Baden
Eine Badewanne fasst etwa 150 Liter. Beim Duschen laufen etwa 10 Liter pro Minute. Du duschst 5 Minuten. Wie viele Liter spart die Dusche gegenüber der Wanne?
Zuerst rechnest du den Verbrauch beim Duschen: 5 Minuten mal 10 Liter sind 50 Liter. Die Wanne braucht 150 Liter. Der Unterschied ist 150 minus 50, also 100 Liter. Die Dusche spart 100 Liter.
Eis sinkt, weil Festes schwerer ist
Eis sinkt, weil Festes schwerer ist
„Feste Stoffe sind schwerer als Flüssigkeiten. Darum müsste Eis im Wasser untergehen.“
Bei den meisten Stoffen stimmt das: Ein fester Block sinkt in seiner eigenen Flüssigkeit. Wasser ist die Ausnahme. Eis ist weniger dicht als Wasser und schwimmt.
Am Grund eines zugefrorenen Sees hat das Wasser 0 °C
Am Grund eines zugefrorenen Sees hat das Wasser 0 °C
„Je kälter das Wasser, desto tiefer sinkt es. Unten am Seegrund ist es also am kältesten.“
Wasser ist bei 4 °C am dichtesten. Das 4 °C warme Wasser sinkt nach unten. Kälteres Wasser bleibt darüber und gefriert dort zu Eis. Am Grund hat der See etwa 4 °C.
Zusammenfassung
Wasser schmilzt und erstarrt bei 0 °C und siedet bei 100 °C. Es kommt als Eis, Wasser und unsichtbarer Wasserdampf vor.
Bei 4 °C ist Wasser am dichtesten. Eis ist weniger dicht und schwimmt. Das ist die Dichteanomalie.
Wasser ist ein wichtiges Lösemittel für Salze, Zucker und Gase. In der Natur ist es darum nie ein Reinstoff.
Im Wasserkreislauf wechselt Wasser durch Verdunsten, Kondensieren und Niederschlag immer wieder den Zustand. Die Sonne treibt ihn an.
Trinkwasser ist streng geprüft, Brauchwasser muss nicht Trinkqualität haben, Abwasser ist gebrauchtes Wasser und wird in der Kläranlage gereinigt.
Wasser geht nicht verloren, aber sauberes Süßwasser ist knapp. Darum sollte man es sparsam nutzen.
Übungen
Warum schwimmt Eis auf Wasser?
Ein Eisstück hat 300 cm³ Volumen. 1 cm³ Eis wiegt etwa 0,92 g. Wie viele Gramm wiegt das Stück?
Bei der Wolkenbildung kühlt feuchte Luft ab. Welcher Wechsel geschieht?
Eine vierköpfige Familie nutzt pro Person und Tag etwa 125 Liter Trinkwasser. Wie viele Liter sind es in einer Woche (7 Tage)? Schreibe die Zahl ohne Punkt.
Warum überleben Fische im Winter in einem See, obwohl es lange unter 0 °C kalt ist? Erkläre mit der Dichteanomalie.