Das Wasser-Molekül ist ein Dipol!
Betrachten wir doch einmal ein Wasser-Molekül, so wie Sie es eigentlich in der Sekundarstufe I behandelt haben sollten.
Die gepunkteten Linien sollen den Tetraeder andeuten, in dessen Ecken sich die vier Kugelwolken des O-Atoms ausbreiten (die ich hier der Übersicht wegen nicht mit eingezeichnet habe).
Auf der Abbildung sind die wichtigsten Aspekte schon verdeutlicht. Die beiden polaren O-H-Bindungen des Wasser-Moleküls deuten ungefähr in die gleiche Richtung, so dass sich die Dipol-Momente der polaren Bindungen addieren. Daraus folgt, dass das Wasser-Molekül ein starker Dipol ist. Die positiven Teilladungen befinden sich an den beiden H-Atomen, die negative Teilladung am O-Atom sowie an den beiden freien Elektronenpaaren, die ich hier nicht eingezeichnet habe.
Hier sehen Sie nun die komplette Schemazeichnung. Von oben nach unten und von links nach rechts wird die Darstellung des Wasser-Moleküls immer einfacher, schematischer. In der stark vereinfachten Darstellung rechts unten kann man den Dipol-Charakter des Wasser-Moleküls besonders gut erkennen.
Dipol-Dipol-Bindungen sind nicht alles!
Einfache Gemüter würden nun an dieser Stelle Schluss machen, weil sie ja die Eigenschaften des Wasser-Moleküls leicht erklären können. Die hohen Schmelz- und Siedetemperaturen, die hohe Dichte, die hohe Oberflächenspannung des Wassers (Wasserinsekten können auf dem Wasser laufen!) und einige weitere Eigenschaften lassen sich mit dem starken Dipol-Charakter des Wasser-Moleküls erklären. Die einzelnen Wasser-Dipole legen sich aneinander; positives Ende an negatives Ende, negatives Ende an positives Ende, und bilden so eine dichte Struktur, die zwar bei Zimmertemperatur immer noch flüssig ist, aber sich trotzdem durch einen starken inneren Zusammenhalt auszeichnet.
Leider muss ich Sie an dieser Stelle enttäuschen! Betrachten Sie bitte folgende Zeichnung:
Wir sehen hier die Siedepunkte von vier anorganischen Verbindungen, die mit dem Wasser verwandt sind. Wasser ist ja bekanntlich die Wasserstoff-Verbindung des Sauerstoffs. Links neben dem Sauerstoff finden wir im Periodensystem den Stickstoff (Ordnungszahl 7), rechts vom Sauerstoff das Fluor (Ordnungszahl 9). Beide Elemente, Stickstoff und Fluor, bilden ebenfalls Verbindungen mit dem Wasserstoff, nämlich Ammoniak NH3 und Fluorwasserstoff HF. Die Siedetemperaturen dieser beiden Verbindungen wurden ebenfalls in das Koordinatensystem eingetragen.
Links vom Stickstoff finden wir im Periodensystem den Kohlenstoff (Ordnungszahl 6), und rechts daneben das Bor (Ordnungszahl 5). Beide Elemente bilden Wasserstoff-Verbindungen, und zwar Methan CH4 und Borwasserstoff B2H6. Auch die Siedetemperaturen dieser beiden Verbindungen finden sich in der Abbildung wieder.
Legen wir nun eine Ausgleichsgerade durch die vier Punkte. Die Abweichungen der tatsächlichen Punkte von dieser Geraden sollen in ihrer Summe minimal sein. Und tatsächlich liegen zwei der Punkte oberhalb der Geraden, zwei unterhalb. Mit Hilfe dieser Ausgleichsgeraden können wir nun den Siedepunkt des Wassers vorhersagen. Schauen wir uns dazu die nächste Zeichnung an:
Der vorhergesagte Siedepunkt des Wassers liegt zwischen 0 und -10 ºC.
Würde sich Wasser also "normal" verhalten wie seine Verwandten Ammoniak oder Fluorwasserstoff, so müsste es einen Siedepunkt von ca. -5 Grad Celsius haben. Wie wir alle aber wissen, siedet Wasser erst bei 100 Grad Celsius! Wie kommt die Abweichung von über 105 Grad Celsius zwischen dem hypothetischem Siedepunkt und dem tatsächlichen Siedepunkt des Wassers zustande?
Kommen wir auf die Überschrift dieses Abschnitts zurück: Dipol-Dipol-Bindungen sind nicht alles.
Wäre das Wasser lediglich ein Dipol, so hätte es in der Tat einen Siedepunkt zwischen -10 und +10 ºC. Die anderen Verbindungen in der Graphik sind nämlich auch Dipole, das HF ist sogar ein extrem starker Dipol und müsste demnach einen höheren Siedepunkt haben als das Wasser.
Woran liegt es nun, dass das Wasser einen so ungewöhnlich hohen Siedepunkt hat? An den Dipol-Eigenschaften des Wassers kann es nicht liegen. Und hier kommen wir nun zu etwas ganz Neuem, den Wasserstoff-Brücken.
Wasserstoffbrücken-Bindungen
Dieses Thema ist so wichtig und wird vielleicht auch von anderen Seiten meiner Homepage benutzt, so dass ich es auf eine eigene Seite ausgelagert habe. Bitte gehen Sie zur Seite Wasserstoffbrückenbindungen in meinem Chemie-Lexikon.
Zusammenfassung
Die Eigenschaften des Wassers lassen sich auf den starken Dipol-Charakter und auf die Fähigkeit der Wasser-Moleküle zur Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen zurückführen. Wasser hat einen hohen Siedepunkt, der viel höher ist als die Siedepunkt von vergleichbaren Wasserstoffverbindungen. Wasser hat eine hohe Dichte, Wasser kann viele anorganische Stoffe, vor allem Salze, auflösen (hier spielt der Dipol-Charakter eine tragende Rolle), Wasser kann auch viele organische Stoffe lösen (vor allem solche mit OH-Gruppen, weil Wasser-Moleküle mit den OH-Gruppen dieser Verbindungen Wasserstoffbrückenbindungen bilden können), und Wasser hat eine große Oberflächenspannung (auch wegen der Wasserstoffbrückenbindungen).