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Physik: Die zwei Gesichter des Wassers

Wasser hat einige außerordentliche Eigenschaften. Lassen sie sich besser erklären, wenn man es als Gemisch zweier verschiedenartiger Flüssigkeiten betrachtet?
Eiswürfel auf blauem HintergrundLaden...

Wasser ist ebenso allgegenwärtig wie ungewöhnlich. In Bezug auf etliche Eigenschaften unterscheidet es sich von den meisten anderen Flüssigkeiten drastisch, etwa bei seiner Oberflächenspannung, Wärmekapazität, Kompressibilität sowie den Schmelz- und Siedepunkten. Einige Wissenschaftler erklären das seltsame Verhalten, indem sie Wasser nicht als einen komplizierten Stoff betrachten, sondern gewissermaßen als ein Gemisch zweier einfacher Substanzen mit einer komplizierten Beziehung. Andere Experten widersprechen vehement: So eine Aussage passe nicht zu den Grundprinzipien der physikalischen Chemie.

Im Lauf des letzten Jahrzehnts sind die Emotionen in dem akademischen Streit hochgekocht. Der renommierte Wasserforscher Anders Nilsson von der Universität Stockholm meint, die Frage bringe »sehr starke, fast religiöse Ansichten zum Vorschein«. Wissenschaftler schreiben die seltsamen Eigenschaften des Wassers im Allgemeinen den Bindungen durch so genannte Wasserstoffbrücken zu. Allerdings ist umstritten, was dabei genau vor sich geht, insbesondere, wenn sich das Wasser in einem unterkühlten Zustand befindet. Dann sollte es eigentlich gefrieren, dazu kommt es aber nicht.

Wie viele Chemiker dachte Nilsson zu Anfang seiner Laufbahn, die Struktur des Wassers müsste doch gut verstanden sein. Dann erkannte er, dass dem nicht so war. Seit vielen Jahren widmet er sich ganz den Eigenarten der Substanz. Seine neueren Arbeiten verleihen einer in Fachkreisen umstrittenen Hypothese Gewicht: In Wasser existieren zwei verschiedene Flüssigkeitsstrukturen getrennt voneinander. ...

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  • Quellen

Kim, K. H. et al.: Maxima in the thermodynamic response and correlation functions of deeply supercooled water. Science 358, 2017

Niskanen, J. et al.: Compatibility of quantitative X-ray spectroscopy with continuous distribution models of water at ambient conditions. PNAS 116, 2019

Poole, P. H. et al.: Phase behaviour of metastable water. Nature 360, 1992 Russo, J. et al.: Water-like anomalies as a function of tetrahedrality. PNAS 115, 2018

Sellberg, J. A. et al.: Ultrafast X-ray probing of water structure below the homogeneous ice nucleation temperature. Nature 510, 2014