Warum das Wassermolekül ein Dipol ist

Allgemein

Eine Grundvoraussetzung für die Eigenschaften des Wassers ist der Dipolcharakter des Wassermoleküls. Bildlich gesprochen bedeutet das, dass sich beim Wassermolekül, ähnlich wie bei einem Magneten, ein Plus- und ein Minuspol ausbildet. Somit richtet sich das Wassermolekül immer ähnlich aus, da diese Polarität permanent und in gleicher Richtung existiert.

Über diese Tatsache muss man sich im Klaren sein, um in weiterer Folge die bis jetzt bekannten Anomalien des Wassers und gängige Wasser- Theorien zu verstehen. Die folgende Abhandlung ist für Interessierte bewusst wissenschaftlich geführt, um die heutige Sichtweise zu verstehen.

Um den grundlegenden Theorien (wie z.B.: über Anomalien des Wassers, Wasserstoffbrücken, Wassercluster, ein mögliches Gedächtnis des Wassers, etc.) folgen zu können, reicht es aus sich zu merken, dass das Wassermolekül aus drei Atomen besteht. Nämlich einem Sauerstoffatom (O) und zwei Wasserstoffatomen (H). Diese ordnen sich sich so an wie es im Titelbild ersichtlich ist (siehe oben). Aus bestimmten (unten beschriebenen) Gründen bildet sich eine permanente elektrische Polarität aus. Beim Sauerstoffatom herrscht eine negative und bei den beiden Wasserstoffatomen eine positive Ladung vor.

Grundbausteine des Wassers

Die Grundbausteine aller Materie bilden Quarks und Elektronen. Wobei wiederum die Quarks die Bausteine der Protonen und Neutronen sind. Das Proton besteht aus einem d- und zwei u- Quarks. Das Neutron wird von aus zwei d- und einem u- Quark gebildet. Beide Typen von Quarks sind elektrisch geladen. Das d- Quark trägt 1/3 einer negativen und das u- Quark 2/3 einer positiven Elementarladung. (BAARS, 2015)

Das Proton, das positiv geladen ist, verbindet sich mit einem Elektron, das die negative Einheitsladung besitzt, zu einem Wasserstoffatom:

p+ + e -> H + Energie (13,6 eV)

Das Wasserstoffatom ist neutral, da die positive Ladung des Protons durch die negative des Elektrons kompensiert wird. Die Umkehrung dieser Reaktionsgleichung wird Ionisation des Wasserstoffs genannt. Hierzu ist die gleiche Energie von 13,6 eV notwendig.

Das Elektron im Wasserstoffatom existiert in verschiedenen Energiestufen, welche mit 1, 2, 3, usw. bezeichnet werden. Es ist bekannt, dass die Elektronen im Atomverband nicht den gesamten Raum ausfüllen können und nur in bestimmten Bereichen anzutreffen sind. Diese Bereiche nennt man Orbitale. Man unterscheidet kugelförmige S- Orbitale von hantelförmigen P- Orbitalen, wobei in jedem Energiezustand nur ein S- und drei P- Orbitale existieren, die sich entsprechend den drei Raumrichtungen x, y, z ausrichten (siehe Abb. 1).

(ENGLER UND HAINSCHWANG, 1991)

abb-1-orbitaltypen

Abbildung 1: Orbitaltypen (ENGLER UND HAINWSCHANG, 1991, 42)

 

Jedes einfach besetzte Orbital ist bestrebt, sich mit einem zweiten Elektron abzusättigen. So schließen sich zwei Wasserstoffatome zusammen und bilden so ein gemeinsames Elektronenpaar, wobei aus den zwei Atomorbitalen ein gemeinsames Molekülorbital entsteht (siehe Abb. 2). Dieses Molekülorbital ist nun ein energetisch günstiger Zustand.

abb-2-molekulorbital-h2

Abbildung 2: Molekülorbital H2 (BAARS, 2015, 151)

 

Der zweite Bestandteil des Wassermoleküls ist der Sauerstoff. Das Sauerstoffatom besitzt in der äußeren Schale acht Elektronen, wobei sich im bereits doppelt besetzten S-Orbital zwei Elektronen befinden (jeweils zwei im s1 und s2). Zwei Elektronen befinden sich im doppelt besetzten Px-Orbital und das Py– und Pz– Orbital sind jeweils einfach besetzt. Auch hier tritt wieder die Regel in Kraft, dass diese beiden Orbitale doppelt besetzt werden wollen. Das heißt, auch das Sauerstoffatom teilt sich mit einem zweiten Sauerstoffatom jeweils zwei gemeinsame Elektronenpaare; daraus ergibt sich das Sauerstoffmolekül O2. In Abbildung 3 ist die schematische Darstellung dieses Moleküls wiedergegeben. (ENGLER UND HAINSCHWANG, 1991)

abb-3-schematische-darstellung-o2

Abbildung 3: Schematische Darstellung O2 (ENGLER UND HAINSCHWANG, 1991, 43)

Wird nun ein Wassermolekül gebildet; 2 H2 + O2 -> 2 H2O, so lagern sich die zwei einfach besetzten S-Orbitale von je einem Wasserstoffatom in die zwei einfach besetzten P-Orbitale des Sauerstoffatoms. Da die P-Orbitale ja senkrecht aufeinander stehen, müsste das beim Wassermolekül einen Bindungswinkel von 90° ergeben (siehe Abb. 4a). Die Strukturanalyse des Wassers ergibt nun aber einen Bindungswinkel von ca. 105° (104,5°). Somit muss man schlussfolgern, dass die vier doppelt besetzten Orbitale der zweiten Energiestufe gleichwertig sind. Aus dieser Annahme würde sich bei gleicher Abstoßung eine Tetraeder- Struktur, wie in Abbildung 4b zu sehen, ergeben (Zentralwinkel= 109,5°). Die Messungen aus der Strukturanalyse ergeben, wie bereits erwähnt, 105° was einer kleinen Abweichung vom Tetraederwinkel entspricht. Dieser Sachverhalt lässt sich nur mit einer unterschiedlichen Abstoßung zwischen den vier Orbitalen erklären. (ENGLER UND HAINSCHWANG, 1991)

abb-4-theoretische-form-h2o

Abbildung 4: a.) Theoretische Formel H2O (Lewis Formel); b.) Tetraeder-Modell mit dem Atomrumpf des O-Atoms und den bindenden und nicht bindenden Elektronenpaaren (BAARS, 2015, 158)

Dipolcharakter des Wassers

Wie nun erörtert, wird das Wassermolekül aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom gebildet. Die beiden Wasserstoffkerne (Protonen) und das Elektronenpaar des Sauerstoffatoms bilden den bereits besprochenen Tetraeder mit vier Polen elektrischer Ladung. Die Zentren ihrer positiven und negativen elektrischen Ladungen stimmen allerdings nicht überein, da das Sauerstoffatom stärker elektronegativ ist (En = 3,5) als das Wasserstoffatom positiv ist (En = 2,1) und deshalb das für die Bindung verantwortliche Elektronenpaar stärker anzieht. Dieses Elektronenpaar hält sich daher näher beim Sauerstoff auf, woraus sich eine Polarisierung der O-H- Bindung ergibt. Da die Wasserstoffatome nicht symmetrisch an das Sauerstoffatom gebunden sind (Bindungswinkel = 104,5°), können sich die, von den Wasserstoffatomen ausgehenden, Partialmomente nicht kompensieren. Dies bewirkt, dass das Molekül ein permanenter Dipol wird (siehe Abb. 5). (VOIGT, 1990)

abb-5-dipolmodell-des-wassermolekuls

Abbildung 5: Dipolmodell des Wassermoleküls (VOIGT, 1990, 19)

Dieser Dipolcharakter des Wassers ist hauptverantwortlich für die vielen, besonderen Eigenschaften des Wassers. Es ist dadurch möglich, dass sich zwischen den Wassermolekülen sogenannte Wasserstoffbrücken ausbilden können. Wasserstoffbrücken sind elektrische Wechselwirkungen zwischen den unterschiedlich geladenen Polen benachbarter Wassermoleküle (siehe Abb. 7). Der Dipolcharakter erzeugt auch den hohen Wert der Dielektrizitätskonstante des Wassers (ε = 81). Diese Konstante ist ein Maß für den Dipolcharakter eines Stoffes. Legt man ein äußeres elektrisches Feld an diesen Stoff, so wird dieses durch Dipole geschwächt (Verkleinerung der elektrischen Feldstärke).

(ENGLER UND HAINSCHWANG, 1991)

Dieser Artikel enthält Auszüge aus meiner Diplomarbeit – Studie zum Einfluss von biologisch energetisiertem Reinstwasser auf Betoneigenschaften. Auch dieses Thema werde ich in einem Blogartikel gesondert behandeln. Hier noch der Link zur Quellenangabe: literaturverzeichnis.

Herzlichst

Martin Franz Neuhuber

One Comment on “Warum das Wassermolekül ein Dipol ist

  1. Pingback: Wasserstoffbrückenbindungen bilden sich nicht zufällig | Sarsteiner Gold

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