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News: Das Eigenleben des Wassers

Die Eigendissoziation des Wassers, seine spontane Aufspaltung also, ist nichts Ungewöhnliches. In einem Glas Wasser passiert dies in einem fort. Einem einzelnen Wassermolekül passiert ebendies aber derart selten, dass die experimentelle Untersuchung des Phänomens aus Zeitgründen unmöglich ist. Erst nach Jahrzehnten intensiver Forschung gelang Forschern nun die Entschlüsselung dieses alltäglichen Geschehens.
Dass Wasser im wahrsten Sinne des Wortes Lebensmittel wurde, ist seinen in vieler Hinsicht anomalen Eigenschaften zu verdanken, für die vor allem die Anordnung der Wasserstoff und Sauerstoffatome verantwortlich ist. Eine der chemischen Grundgrößen des Wasser ist allerdings bis heute rätselhaft: seine Eigendissoziation. Nicht dass man sich dafür nicht interessierte, aber der Mechanismus, der zur Neutralität des Wassers führt, ist notorisch schwer zu beobachten.

Der pH-Wert ist Ausdruck der Anzahl freier Protonen - also Wasserstoffkerne - im Wasser. Deren Konzentration ist bei den Lösungseigenschaften des Wassers von wesentlicher Bedeutung. Während die einen Stoffe bei höheren pH-Werten, also im basischen Bereich, löslich sind, fallen andere in Form unlöslicher Verbindungen aus. Gleiches gilt für niedrige pH-Werte, die ein saures Milieu anzeigen.

Seit vielen Jahren versuchen Forscher, die spontane Dissoziation des Wassers in das H+ und das Hydroxid-Ion OH- zu studieren. Warum dies im Experiment unmöglich ist, wird deutlich, wenn man sich die Zeitdauer veranschaulicht, in der diese Eigendissoziation geschieht. Wenn man ein einzelnes Wassermolekül zehn Stunden lang beobachtete, würde der Zerfall etwa 100 Femtosekunden lang dauern - das ist ein Tausendstel einer Billionstel Sekunde. Auf eine Sekunde hochgerechnet, entspricht die Experimentdauer damit etwa dem Alter des Universums.

Aus diesem Grund verließen die Forscher in den 50er Jahren das Labor und wandten sich dem Computer zu - vergebens. Bis jetzt jedenfalls, denn Phillip Geissler vom College of Chemistry der University of California in Berkeley und seine Kollegen haben es endlich geschafft. Sie hatten ihre komplexe Simulation der Molekülstrukturen um einen Algorithmus erweitert, der es ihnen ermöglichte, mit ihren Hochleistungs-Computern gleichsam in den Moment des Zerfalls zu zoomen.

Dabei fanden sie heraus, dass die Wassermoleküle selbst Ursache für ihre Spaltung sind. Denn rein zufällig entstehen im Wasser ganz bestimmte dreidimensionale Strukturen mehrerer H2O-Moleküle, die zu einem Ladungsungleichgewicht und somit zum Aufbau eines elektrischen Felds führen. Dieses elektrische Feld vermag nun einem einzelnen Molekül ein Proton zu entreißen. Dessen Schicksal ist es, entweder in weniger als einer Milliardstel Sekunde in das verbliebene OH--Ion zurückzufallen, oder sich von ihm zu entfernen, um dann frei in der Lösung vorzuliegen.

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  • Quellen
Science 291: 2121–2124 (2001)

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