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Wasser
Das Wasser (Biologievortrag)

    1. Einleitung
    2. Bedeutung des Wassers
         2.1. Wassermangel
    3. Eigenschaften
         3.1. Dipolcharakter
         3.2. Hydrathüllenbildung
         3.3. Wasserstoffbrückenbindung
         3.4. Dichteanomalie

1. Einleitung

"Wasser, du hast weder Geschmack noch Farbe, noch Aroma. Man kann dich nicht beschreiben. Man schmeckt dich, ohne dich zu kennen. Es ist nicht so, dass man dich zum Leben braucht; du selber bist das Leben! Du durchdringst uns als Labsal, dessen Köstlichkeit keiner unserer Sinne auszudrücken fähig ist. Durch dich kehren uns alle Kräfte zurück, die wir schon verloren gaben. Vor einer Quelle magnesiumhaltigen Wassers kann man verdursten. An einem Salzsee kann man verschmachten. Und trotz zweier Liter Tauwasser kann man zugrunde gehen, wenn sie bestimmte Salze enthalten. Du nimmst nicht jede Mischung an, duldest nicht jede Veränderung. Du bist eine leicht gekränkte Gottheit! Aber du schenkst uns ein unbeschreibliches einfaches und großes Glück."

         ( Antoine de Saint- Expurèy )
  • Wasser ist wegen besonderen chemischen und physikalischen Eigenschaften essentiell
  • spielt bei allen Stoffwechselvorgängen bzw. geologischen und ökologischen Elementarprozessen in Organismen und in unbelebten Bestandteilen der Geosphäre die wichtigste Rolle (Photosynthese, Klima)
  • Erdoberfläche zu ca. 70 % von Wasser bedeckt, aber nur 0,3 % Trinkwasser
  • in flüssiger Form bislang nur auf der Erde nachgewiesen
  • Wasser war für Erdgeschichte der bedeutendste Stoff, aus ihm entstand einst das Leben
  • ist das bedeutendste Element der Menschheitsgeschichte, Symbol der Lebenskraft, Reinigung, Erneuerung
2. Bedeutung des Wassers
  • Lösungs- und Transportmittel (Aufnahme, Abgabe und Transport von Stoffen vollziehen sich meist in gelöstem Zustand)
  • Quellungsmittel (Wasser ermöglicht den für die Lebensprozesse notwendigen Quellungszustand der Eiweißkolloide)
  • Reaktionsmedium (die meisten biologischen Reaktionen der Zelle vollziehen sich in wässrigem Milieu)
  • Reaktionsstoff in biochemischen Prozessen (in vielen Stoffwechselreaktionen tritt Wasser als Ausgangs- oder Endstoff auf (Photosynthese, Atmung, Verdauung))
  • Wasser bei Pflanzen auch für Photosynthese notwendig (CO2 + H2O -> Glucose + O2)
  • Reaktionspartner für Dissimilation und Photosynthese
Bedeutung für die Zelle:
  • Lösungsmittel für Stoffumsetzungen in der Zelle
  • Transportmittel für gelöste Stoffe
  • Reaktionspartner bei Stoffwechselreaktionen
  • Mittel zur Regelung der Temperatur (hohe Wärmekapazität)
  • in meisten lebenden Zellen ist Wasser die häufigste Substanz, daher ist auch der Wassergehalt des gesamten Organismus sehr hoch
Wassergehalt verschiedener Organismen in %

               Mensch                             60-70
               Qualle                                  98
               grüne Blätter von Pflanzen   80-90

2.1. Wassermangel
  • Mensch von 70 kg Körpergewicht trägt etwa 42 kg Wasser mit sich herum
  • kann bis zu 14 Tage ohne Nahrung auskommen, aber verdurstet bereits nach 36 Stunden
  • täglich 2 - 3 Liter Wasser, einen Teil davon nimmt Körper über feste Nahrungsmittel auf
  • dieselbe Menge Wasser, die der Mensch täglich aufnimmt, gibt er auch wieder ab
  • beim Schwitzen können bis zu 1,5 Liter Wasser pro Stunde verloren werden
  • in tropischen Ländern benötigen Menschen bis zu zehnmal mehr Wasser
  • durch Flüssigkeitsverluste beim Dürsten kann die Blutmenge um 25 - 40 %, in Extremfällen bis 60 % vermindert werden
  • dickes und zähflüssiges Blut wird von Herz nicht mehr schnell genug durch Adern gepumpt
  • nur noch ein Viertel der normalen Blutmenge wird pro Minute durch Herz gepumpt
  • erhebliche Mengen Kohlendioxid werden freigesetzt -> muss mit verstärkter Atmung ausgeatmet werden
  • bei Flüssigkeitsverlusten zwischen 15 und 20 % des Körpergewichts ist Kreislauf nicht mehr in der Lage, den Herzmuskel ausreichend zu versorgen
  • Stoffwechselstörungen, Gehirn wird dauerhaft geschädigt
  • es kommt zum Tod durch Kreislaufversagen
  • wasserarm sind Dauerformen, in denen Lebensvorgänge mit stark verminderter Geschwindigkeit ablaufen (z.B. Samen von Pflanzen)
3. Eigenschaften des Wassers und deren Bedeutung
  • eines der interessantesten Elemente in der Natur
  • Eigenschaften, ohne die Leben auf der Erde nicht möglich wäre
  • Wasser (auch Wasserstoffoxid, Hydrogeniumoxid oder Dihydrogeniumoxid) ist eine chemische Verbindung aus Sauerstoff und Wasserstoff
  • Bezeichnung Wasser wird besonders für flüssigen Aggregatzustand verwendet, festen bzw. gefroren -> Eis, gasförmigen -> Wasserdampf
  • Formel: H20
  • reines Wasser ist geruchs-, geschmacks- und nahezu farblos
  • Gefrierpunkt: 0° C; größte Dichte: 1g/cm3 bei 4° C
  • Siedepunkt: 100° C
    • Temperatur, bei der ein Stoff siedet, d. h. vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand übergeht
    • hohe Siedetemperatur des Wassers weist auf starke zwischenmolekulare Anziehungskräfte hin -> Wasserstoffbrückenbindung (fünfmal stärker als die alleinige Anziehungskraft zwischen Dipol-Molekülen)
    • Bindungen im Wassermolekül sind stark polar und Wassermolekül ist ein Dipol
  • durch hohe spezifische Wärmekapazität braucht man sehr viel Energie um Wasser zu erwärmen
    • auf der Erde "fast" gleich bleibende Temperatur
    • wenn Sonne scheint nimmt das Wasser die Wärmeenergie tagsüber auf und gibt sie nachts wieder ab
    • auf Mond, der kein Wasser hat, Temperaturen von über 150° C und Nachts -100° C
  • Wassermoleküle sind Dipole mit positiver und negativer Seite
    • dadurch hervorragendes Lösungsmittel
    • löst Ionen anorganischer Verbindungen und organischer Verbindungen
  • nachweisen kann man Wasser durch weißes Kupfersulfat, welches sich hellblau färbt und durch blaues Kobalt(2)-nitratpapier, welches durch Wasser rot gefärbt wird
3.1. Dipolcharakter
  • wenn Wasser in immer kleinere Teile geteilt wird, kommt man an kleinsten Teil an aus dem sich das Wasser zusammensetzt -> Wassermolekül
  • chem. Formel für Wassermolekül: H2O
  • 2 Atomen Wasserstoff und 1 Atom Sauerstoff
  • Wassermolekül ist so klein, dass wenn man ein Schnapsglas mit Wasser über Europa ausschütten würde, und jedes Molekül so groß wie ein Sandkorn wäre, ganz Europa mit einer 2 Meter hohen Sandschicht bedeckt wäre
  • O2-Atom bildet negativen Pol
  • H2-Atom bildet positiven Pol
  • aufgrund größerer Elektronegativität des O2-Atoms (3,5) gegenüber beiden H2-Atome (2,1) werden Bindungselektronen stärker vom O2-Atom angezogen -> Ladungsverschiebung innerhalb des Moleküls
  • polare Atombindung
  • Teilchen sind bestrebt einen stabilen Zustand zu erreichen -> Verbindung
  • Bindung wird polare Elektronenpaarbindung genannt, Molekül Dipol
3.2. Hydrathüllenbildung
  • H2O-Moleküle treten mit Ionen u. polaren Gruppen anderer Moleküle in Wechselwirkung -> weitere H2O-Moleküle lagern sich an, bis Ionen umschlossen sind
  • durch die Hydrathülle geht der Zusammenhalt der Ionen verloren ( Ionen frei beweglich) -> Löslichkeit von Ionen und Molekülen mit polaren Gruppen (z.B. –OH, -COO,-NH ) wird ermöglicht -> hydrophil
  • Stoffe, bei denen die apolaren Gruppen (z.B. –CH ) überwiegen, sind nicht im Wasser löslich -> hydrophob
  • Hydrathülle von Ionen spielt für Transport durch die Membran große Rolle
  • mit zunehmender Ionengröße nimmt bei gleich bleibender Ladung die Ladungsdichte und entsprechend die Größe der Hydrathülle ab (auf Grund vom Dipolcharakter)
    • Bsp: NaCl: durch den Dipolcharakter kann NaCl gelöst werden umgeben, von Hydrathüllen (bleiben freibeweglich und können nur so transportiert werden -> bleiben in Lösung)
3.3. Wasserstoffbrückenbindung
  • durch unterschiedliche Ladungen innerhalb eines Wassermoleküls ist das Wassermolekül ein Dipol
  • gleiche Ladungen stoßen sich ab, unterschiedliche Ladungen ziehen sich an -> Moleküle richten sich in Mustern an (Cluster genannt)
  • diese Bindungen der Moleküle untereinander nennt man Wasserstoffbrückenbindung
  • Wasserstoffbrückenbindung ist verantwortlich für die Oberflächenspannung und den Aggregatzustand bei Raumtemperatur.
  • aufgrund der Verknüpfung von H2O-Molekülen über Wasserstoffbrücken bildet Eis Molekülgitter mit Hohlräumen -> daher Eis geringere Dichte als flüssiges Wasser
  • Ionenbindung, Wasserstoffbrücken und VAN-DER-WAALS-Kräfte sind schwache Bindungen -> können leicht gelöst werden
  • diese Bindungen sind nicht fest und beständig, bestehen nur Bruchteile von Sekunden, dann Lösung der Bindungen und Neuverkettung mit andern Wassermoleküle
3.4. Dichteanomalie
  • aufgrund der Verkettungen der Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen ist die resultierende Struktur im festem Zustand größer als im flüssigen -> Kristallgitter mit Hohlräumen
  • Moleküle bewegen sich so langsam, dass gelöste Wasserstoffbrückenbindungen nicht schnell genug wieder verbunden werden können
  • beim Schmelzen des Eises wird der geordnete Zustand des Gitters zerstört und Dichte nimmt zu und hat bei 4° C größten Wert -> Dichteanomalie
  • beim weiteren Erwärmen nimmt die Dichte wieder ab, da sich Moleküle schneller bewegen -> mehr Bewegungsfreiraum (Wasserstoffbrückenbindungen lösen sich sehr schnell)
  • biologische Bedeutung der Anomalie des Wassers: Wasser friert von oben her zu, da Wasser von 4° C am schwersten ist und absinkt und somit totales Zufrieren tiefer Gewässer verhindert wird -> ermöglicht Überleben der im Wasser lebenden Lebewesen
  • Dichteanomalie für Lebewesen im Wasser von großer Bedeutung, da Wasser bei +4° C größte Dichte hat und absinkt, herrscht im Tiefenwasser diese Temperatur
  • KAPILLARWIRKUNG: ist die Kraft, die innerhalb der Pflanze den Saft nach oben transportiert -> Pflanze kann mit Wasser und Nahrung versorgt werden
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Quellen:

    - "Cytologie", Schroedel-Verlag
    - "Biologie heute", Schroedel-Verlag
    - Internet, aus dem Informationsangebot