Das Wasser als chemische Verbindung

Wasser ist eine chemische Verbindung aus den Elementen Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O). In jedem Wassermolekül, also in jedem kleinsten Teilchen des Wassers, sind zwei Atome Wasserstoff mit einem Atom Sauerstoff chemisch verbunden. Das drückt die berühmte chemische Formel des Wassers aus: H2O.

Diese Wassermoleküle sind unvorstellbar klein. In einer Wassermenge von 18 g (18 ml), etwa einem Esslöffel voll, gibt es immerhin 600 Trilliarden Wassermoleküle! 600 Trilliarden, das sind ausgeschrieben 600 000 000 000 000 000 000 000 Stück. Niemand kann sich diese Zahl vorstellen. Wenn man die Wassermoleküle in Gruppen zu je einer Milliarde Moleküle abzählen könnte und mit dieser aufregenden Tätigkeit täglich acht Stunden verbringen würde, bräuchte man immer noch etwa 30 Millionen Jahre. Mit anderen Worten: Kein Mensch könnte jemals die Wassermoleküle auch nur eines winzigen Wassertröpfchens abzählen.

Die Abbildung zeigt, wie man sich die Struktur eines Wassermoleküls vorstellt: Die beiden Wasserstoffatome (H) sind als helle Kugeln dargestellt, das Sauerstoffatom (O) als rote Kugel. Die Bindung zwischen dem Sauerstoffatom und jedem der Wasserstoffatome vermitteln Elektronen, also Teilchen, die viel kleiner sind als Atome. Sie sind elektrisch negativ geladen, während Atomkerne eine elektrisch positive Ladung tragen. Die beiden ?H – O-Bindungen bilden einen stumpfen Winkel von 104,45°. Der Abstand zwischen Proton und Sauerstoff-Atom beträgt 95,84 Pikometer (billionstel Meter).

Das Sauerstoffatom enthält allerdings noch zwei weitere Paare von Elektronen. Sie sind nicht an der Bindung von Wasserstoffatomen beteiligt und werden daher „freie Elektronenpaare“ genannt. Im Grunde bildet das Wassermolekül daher sogar einen Tetraeder, also eine dreiflächige Pyramide mit vier Ecken und dem Sauerstoffatom im Zentrum. Die beiden Elektronenpaare besetzen zwei Ecken des Tetraeders, an den beiden anderen sitzen die Wasserstoffatome. So haben alle den größtmöglichen Abstand voneinander.

Die elektrischen Ladungen in einem Wassermolekül heben sich auf. Nach außen hin ist es daher nicht elektrisch geladen, sondern neutral. In seinem Innern aber sind diese elektrischen Ladungen etwas ungleich verteilt. Die Elektronen halten sich näher beim Sauerstoff-Atom auf und geben ihm einen leichten Überschuss an negativer Ladung (δ–). Die beiden Wasserstoffatome dagegen tragen aus dem gleichen Grund einen leichten positiven Ladungsüberschuss (δ+). Das Wassermolekül hat also eine leicht positiv geladene und eine negativ geladene Seite. Solche Moleküle nennen die Chemiker Dipol-Moleküle.