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Die Verdunstung freier Wasserflächen – Grundlagen

Die Verdunstung freier Wasserflächen – Grundlagen

Relevante Eigenschaften

Relevante Eigenschaften des Wassers 10 ___________________________________________________________________________ 2 Physikalische und chemische Eigenschaften des Wassers Für das Verständnis des Vorganges der Verdunstung von den Oberflächen stehender Gewässer ist die Kenntnis der Eigenschaften und der Besonderheiten des Wassers aus physikalischer und chemischer Sicht unabdingbar. Wasser ist von universeller Bedeutung für viele abiotische Vorgänge auf der Erde, für das irdische Leben und die wirtschaftliche Tätigkeit des Menschen. Sowohl pflanzliche als auch tierische Lebewesen bestehen hauptsächlich aus Wasser. Dieses ist nicht nur Hauptbestandteil der organischen Substanz, es stellt vor allem auch eine wesentliche Grundlage aller physiologischen Vorgänge dar. Die Existenz von flüssigem Wasser auf der Oberfläche der Erde ist an deren Temperatur- und Schwereverhältnisse gebunden. Ein Entweichen des atmosphärischen Wasserdampfes in den Weltraum wird durch die Erdbeschleunigung verhindert, die mittlere Oberflächentemperatur von ca. 288 K lässt Wasserstoffoxid überhaupt erst in der flüssigen Phase auftreten. Letztlich sind also auch die Größe und Masse der Erde, ihre Entfernung von der Sonne sowie die Charakteristik ihrer Umlaufbahn von großer Bedeutung. Die Wasserhülle der Erde entstand vor mehr als 3,7 - 4 Milliarden Jahren durch Kondensation des Wasserdampfes auf der erkalteten Kruste. Mit der Akkumulation flüssigen Wassers auf der Oberfläche der Erde wurde das Kohlendioxid, das vorher bis zu 90 % der Atmosphäre ausmachte, im Laufe der Erdgeschichte im Kohlensäure-Karbonat-System der Ozeane gebunden und größtenteils sedimentiert. Die Verringerung der CO2-Gehalte, wie auch das Vorhandensein von Wasserdampf in der Atmosphäre waren und sind von herausragender Bedeutung für das Klima auf unserem Planeten. Dieses wird auch vor allem durch die hohe spezifische Wärme des Wassers sowie seine hohe Schmelz- und Verdampfungswärme geprägt. Die Wasserhülle bot nicht nur die stofflichen Grundlagen, sondern auch die physikalischen Rahmenbedingungen für die Entstehung und Entwicklung des Lebens auf der Erde. Sie schützte die ersten Lebensformen, lange Zeit vor Herausbildung der Ozonschicht, vor der harten UV-Strahlung. Wasser (chem. Wasserstoffoxid; lat. aqua; griech. hydor) in reiner Form ist eine in dünnen Schichten farblose, bei größerer Schichtmächtigkeit (> 5 m) himmelblaue, geruchs- und geschmacksneutrale Flüssigkeit. Gegenüber anderen Stoffen, insbesondere auch den Verbindungen des Wasserstoffs (Hydride) mit den, dem Sauerstoff benachbarten Elementen, nimmt das Wasser in Bezug auf wesentliche physikalische und chemische Eigenschaften eine Sonderstellung ein. Diese resultiert vor allem aus dem spezifischen Aufbau der Moleküle. Aufgrund der stärkeren Elektronegativität des Sauerstoffatoms sind die Ladungen ungleich verteilt, das einzelne Molekül verhält sich wie ein Dipol. Der Winkel zwischen den H-O-H - Atomen beträgt 104,5°. Auf der Sauerstoffseite befinden sich die nicht gebundenen Elektronen, die verbleibenden Protonen stellen die positive Seite des Dipols.

Relevante Eigenschaften des Wassers 11 ___________________________________________________________________________ Abb. 2-1: Das Wassermolekül als Dipol Von Bedeutung sind der dezentrale Schwerpunkt des Moleküls sowie die großen Abstände zwischen den beiden Polen. Die aus der ungleichen räumlichen Ladungsverteilung resultierende elektrostatische Anziehung der Moleküle über sogenannte Wasserstoff- oder Wasserstoffbrückenbindungen führt zur Vergesellschaftung der Moleküle zu Aggregaten. Die Wasserstoffbindung ist wesentlich stärker als die VAN DER WAAL'sche Massenanziehung der Teilchen. Legt man nur diese Massenanziehungskräfte und damit eine monomere Struktur des Wassers zugrunde, kommt man auf theoretische Werte für die Schmelztemperatur von -100 °C und -80°C für den Siedepunkt. Wasser hätte dann ähnliche Eigenschaften wie die genannten Verbindungen des Wasserstoffs mit den, dem Sauerstoff im Periodensystem benachbarten Elementen. Die Agglomeration der Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen wird in Analogie zu den Bindungen der Metalle mit dem Clustermodell beschrieben. Bei den Molekülschwärmen bzw. Clustern handelt es sich aber nicht um feste Strukturen, sondern um Vergesellschaftungen mit extrem kurzlebigen Bindungen. Mit Hilfe des Clustermodelles lassen sich daher lediglich die mittleren Verhältnisse anschaulich beschreiben. Der Zustand des Wassers und seine Änderungen - Gefrieren, Schmelzen, Kondensation und Verdunstung/ Verdampfung sowie Sublimation und Resublimation - sind von den Druck- und Temperaturverhältnissen abhängig. Die Sublimation als direkter Übergang vom festen in den gasförmigen Zustand unter Umgehung der flüssigen Phase ist nur dann möglich, wenn Tempe-

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