Warum hat Wasser eine hohe Siedetemperatur? – Aufklärung

Was ist die Siedetemperatur?

Die Siedetemperatur von Wasser ist die Temperatur, bei der das Wasser vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand übergeht. Im gasförmigen Zustand besteht Wasser aus Wasserdampf. Der Übergang von der flüssigen Phase in die Gasphase wird auch als Sieden bezeichnet. Bei Wasser geschieht dieser Übergang bei 100 °Celsius.

In allen Aggregatzuständen bewegen sich die Teilchen eines Stoffes

In allen Aggregatzuständen eines Stoffes, fest, flüssig oder gasförmig, bewegen sich die Teilchen, aus denen der Stoff besteht, etwa Atome, Ionen oder Moleküle. In der festen Phase sind die Teilchen zwar ortsfest, schwingen aber um eine sogenannte Ruhelage. In der Gasphase bewegen sich Teilchen geradlinig und frei. Im flüssigen Aggregatzustand gibt es noch eine Bindung zwischen den Teilchen, die sich gegeneinander verschieben. Sie können sich nicht weit voneinander wegbewegen. Ihre durchschnittliche Weglänge ist etwa so lang wie ihr Durchmesser.

Egal ob flüssig, gasförmig oder fest, alles ist in Bewegung. Und Bewegung ist Energie. Die mittlere Bewegungsenergie oder auch mittlere kinetische Energie aller Teilchen eines Stoffes kann als die Temperatur des jeweiligen Stoffes aufgefasst werden.

Damit ein Stoff in die Gasphase übergehen kann, ist Energie erforderlich. Denn es gilt, die Bindungs- oder Anziehungskräfte, die zwischen den Teilchen einer Flüssigkeit wirken, zu überwinden, die Verbindungen „aufzubrechen“.
Je stärker sich Flüssigkeitsteilchen bewegen, desto größer ist die Temperatur der Flüssigkeit. Ab einer für jeden Stoff, für jede Flüssigkeit spezifischen Temperatur, der jeweiligen Siedetemperatur, ist die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen so hoch, dass einige von ihnen mitunter größere Strecken zurücklegen und sich so vom „Flüssigkeitsverbund“ lösen können. Sie entweichen auf diese Weise in die Gasphase. In dieser wirken keine Anziehungskräfte anderer Teilchen mehr auf sie.

Wassermoleküle und ihre starken Bindungen untereinander – Wasserstoffbrücken

Unter Wassermolekülen besteht im flüssigen Zustand eine sehr starke Bindung. Diese beruht auf ihrer Gestalt. Wassermoleküle sind starke Dipole.

Struktur von Wassermolekülen

Wassermoleküle bestehen aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen. Diese drei Atome teilen sich ihre äußeren Elektronen auf eine bestimmte Art und Weise. So erreichen sie Stabilität. Sauerstoffatome haben im Vergleich zu Wasserstoffatomen einen viel größeren Kern und besitzen mehr elektrisch positive Kernteilchen (Protonen). Sie ziehen gemeinsam genutzte Elektronen daher stärker zu sich hin, als Wasserstoffatome es tun.

Daraus folgt: Im Bereich der Sauerstoffatome existiert im Mittel eine negative elektrische Ladung, denn hier halten sich im Mittel mehr Elektronen auf. Im Bereich der Wasserstoffatome existiert im Mittel eine positive Teilladung. Hier halten sich im Mittel weniger gemeinsam genutzte Elektronen auf. Das Molekül besteht aus zwei Seiten mit entgegengesetzter Ladung. Wassermoleküle sind sogenannten Dipol-Moleküle.

Wasserstoffbrückenbindung zwischen Wassermolekülen

Die Dipolmoleküle wechselwirken in flüssigem Wasser auf besondere Weise. Elektrisch negative Bereiche eines Moleküls werden von elektrisch positiv geladenen Bereichen eines anderen Wassermoleküls angezogen. Elektrisch positive Bereiche eines Atoms ziehen elektrisch negative eines weiteren Moleküls an. Die Anziehung zwischen den positiven Bereichen des einen und dem negativen Bereich eines anderen Wassermoleküls wird auch Wasserstoffbrücke oder Wasserstoffbrückenbindung genannt.
Die Anlagerung einzelner Wassermoleküle aneinander beruht auf elektrostatischer Anziehung. Die Struktur in flüssigem Wasser wird durch die räumliche, tetraederartige Struktur von Wassermolekülen begünstigt. Zwei Wasserstoffatome sind in einem Winkel von etwa 104 Grad an einem Sauerstoffatom positioniert.
Wasserstoffbrücken sind weniger stark als zum Beispiel Elektronenpaarbindungen (kovalente Bindungen). Sind aber unzählige Moleküle durch diese Brücken verbunden, bekommt die Wasserstoffbrückenbindung eine Stärke und große Bedeutung.

Hoher Siedepunkt von Wasser

Es braucht Energie, um Wasserstoffbrücken zu trennen. Weil die Wasserstoffbrückenbindung eine recht starke Bindung ist, braucht es viel Energie (Bewegungsenergie von Teilchen), damit einzelne Wassermoleküle den „Molekülverband“ des flüssigen Wassers verlassen und in die Gasphase entweichen können. Eine hohe Bewegungsenergie kann als hohe Temperatur eines Stoffes verstanden werden. Bei flüssigem Wasser haben Wassermoleküle bei einer Temperatur von 100 Grad Celsius im Mittel genug Bewegungsenergie, um die elektrostatischen Kräfte, die zwischen Wassermolekülen wirken, zu überwinden und in die Gasphase überzugehen.

Vergleich mit anderen Stoffen

Der Zusammenhalt von Molekülen in flüssigem Wasser ist besonders stark, viel stärker als im Vergleich mit anderen Stoffen. Brom etwa, das bei Raumtemperatur flüssig ist, siedet schon bei 59 °Celsius. Es braucht hier weniger (Bewegungs-)Energie.

Wichtig zu wissen:

Der Siedepunkt beim Wasser hängt auch vom Druck ab. Hundert Grad Celsius für Wasser gilt bei einem Luftdruck von 1 bar. Ist der Druck höher, steigt die Siedetemperatur. Sinkt der Luftdruck, sinkt auch die Siedetemperatur von Wasser.