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Elemente
Wasser
H2O findet sich im flüssigen und starren Zustand (als
Eis)
[* 2] allgemein verbreitet
in der
Natur, gasförmig in der
Atmosphäre, ferner als Hauptbestandteil des
Pflanzen- und Tierkörpers und, chemisch gebunden,
auch in vielen
Mineralien.
[* 3] Wegen seines großen Lösungsvermögens ist aber das in der
Natur vorkommende
Wasser niemals rein und
kann nur durch
Destillation
[* 4] von den darin enthaltenen festen
Stoffen und
Gasen gereinigt werden.
Wasser entgeht
bei direkter
Verbindung von
Wasserstoff mit
Sauerstoff (s.
Wasserstoff), ebenso bei
Oxydation
wasserstoffhaltiger
Körper (z. B.
beim Verbrennen unsrer Heiz und
Leuchtmaterialien), bei
Reduktion von
Oxyden mit
Wasserstoff und bei vielen andern chemischen
Prozessen.
Reines
Wasser besteht aus 2 Gewichtsteilen (2
Atomen)
Wasserstoff und 16 Gewichtsteilen (1
Atom)
Sauerstoff oder
aus 2
Volumen
Wasserstoff und 1
Volumen
Sauerstoff, welche
sich zu 2
Volumen
Wassergas
[* 5] verdichten; 100 Teile Wasser enthalten 11,136
Proz.
Wasserstoff und 88,864 Proz.
Sauerstoff, Wasser ist geruch- und geschmacklos, in mehr als 2 m dicker
Schicht bläulich. Bei
0° ist es 773mal, bei 15° 819mal schwerer als
Luft von derselben
Temperatur. Das
spezifische Gewicht des Wassers wird bei
Angabe der spezifischen
Gewichte fester und flüssiger
Körper = 1 gesetzt. Wasser besitzt ein
Maximum der
Dichtigkeit bei 4° (genauer
bei 3,945°); bei dieser
Temperatur wiegt also 1
ccm 1 g und 1
Liter 1 kg. Folgende
Tabelle zeigt die Dichten
und
Volumen des Wassers nach den Bestimmungen von
Rosetti:
|Temperatur||Dichte bei 0° = 1||Volumen bei 0° = 1||Dichte bei 4° = 1||Volumen bei 4° = 1|
|-10°||0.998274||1.001729||0.998145||1.001858|
|-8||0.998814||1.001191||0.998685||1.001317|
|-6||0.999247||1.000756||0.999118||1.000883|
|-4||0.999584||1.000416||0.999455||1.000545|
|-2||0.999832||1.000168||0.999703||1.000297|
|0||1.000000||1.000000||0.999871||1.000129|
|1||1.000057||0.999943||0.999928||1.000072|
|2||1.000098||0.999902||0.999909||1.000031|
|3||1.000120||0.999880||0.999991||1.000009|
|4||1.000129||0.999871||1.000000||1.000000|
|5||1.000119||0.999881||0.999990||1.000010|
|6||1.000099||0.999901||0.999970||1.000030|
|7||1.000062||0.999938||0.999933||1.000067|
|8||1.000015||0.999985||0.999886||1.000114|
|9||0.999953||1.000047||0.999824||1.000176|
|10||0.999876||1.000124||0.999747||1.000253|
|12||0.999678||1.000322||0.999549||1.000451|
|14||0.999429||1.000572||0.999299||1.000701|
|16||0.999131||1.000870||0.999002||1.000999|
|18||0.998782||1.001219||0.998654||1.001348|
|20||0.998388||1.001615||0.998259||1.001744|
|22||0.997953||1.002049||0.997826||1.002177|
|24||0.997495||1.002511||0.997367||1.002641|
|25||0.997249||1.002759||0.997120||1.002888|
|30||0.995894||1.004123||0.995765||1.004253|
|35||0.99431||1.00572||0.99418||1.00586|
|40||0.99248||1.00757||0.99235||1.00770|
|50||0.98833||1.01181||0.98820||1.01195|
|60||0.98351||1.01677||0.98338||1.01691|
|70||0.97807||1.02243||0.97794||1.02256|
|80||0.97206||1.02874||0.97194||1.02887|
|90||0.96568||1.03554||0.96556||1.03567|
|100||0.95878||1.04300||0.95865||1.04312|
Über das Gefrieren des Wassers s. Eis. Wasser ist fast ein Nichtleiter der Elektrizität [* 6] und leitet auch die Wärme [* 7] sehr schlecht.
Die Wärmekapazität des Wassers bei verschiedenen Temperaturen nach Bestimmungen von Regnault zeigt nachstehende Tabelle (S. 413). Zum Erwärmen von 1 kg Wasser von 0° auf 1° ist also 1 Wärmeeinheit erforderlich, während z. B. 1 kg Quecksilber hierzu nur 0,033 Wärmeeinheiten bedarf. Diese große Wärmekapazität des Wassers spielt im Naturhaushalt eine wichtige Rolle und macht das Wasser auch sehr geeignet zur Abkühlung und zur Übertragung der Wärme bei Warmwasserheizungen etc. Wasser zeigt sehr wenig Komprimierbarkeit: dieselbe beträgt für 1 Atmosphäre bei 0° = 0,0000503, bei 53° nur 0,000041. Beim Stehen an der Luft verdunstet das ¶
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Wasser und zwar um so lebhafter, je höher die Temperatur ist, bis endlich die Dampfentwickelung durch die ganze Flüssigkeit stattfindet, das Wasser siedet. Die Temperatur des Siedepunktes ist abhängig vom Druck, der auf der Flüssigkeit lastet. Unter gewöhnlichem Atmosphärendruck (Barometer [* 9] 760 mm) siedet das Wasser bei 100°, auf dem Montblanc (417 mm) bei 85°, bei einem Druck von 5,56 kg auf 1 qcm (4652 mm) erst bei 160°. Die latente Siedewärme des Wassers ist unter normalen Verhältnissen 536,5, zur Überführung von 1 kg Wasser von 100° in Wasserdampf von 100° sind also 536,5 Wärmeeinheiten erforderlich; beim Verdunsten von 1 kg Wasser von 20° werden dagegen 592,6 Wärmeeinheiten latent (vgl. die folgende Tabelle). Durch Auflösen von Salzen wird der Siedepunkt beträchtlich erhöht.
Wärmekapazität des Wassers (nach Regnault).
|Temperatur||Wärmeabgabe von 1 kg zwischen t° u. 0° Wärmeeinheiten||Spezifische Wärme, mittlere zwischen 0° und t°||Spezifische Wärme bei t°||Latente Wärme des gesättigten Dampfes von t°|
|0||0.000||-||1.0000||603.5|
|10||10,002||1.0002||1.0005||599.5|
|20||20,010||1.0005||1.0012||592.6|
|30||30,026||1.0009||1.0020||585.7|
|40||40,051||1.0013||1.0030||578.7|
|50||50,087||1.0017||1.0042||571.6|
|60||60,137||1.0023||1.0056||564.7|
|70||70,210||1.0030||1.0072||557.6|
|80||80,282||1.0035||1.0089||550.6|
|90||90,281||1.0042||1.0109||543.5|
|100||100,500||1.0050||1.0130||536.5|
|110||110,641||1.0058||1.0153||529.4|
|120||120,806||1.0067||1.0177||522.3|
|130||130,997||1.0076||1.0204||515.1|
|140||141,215||1.0087||1.0232||508.0|
|150||151,462||1.0097||1.0262||500.7|
|160||161,741||1.0109||1.0294||493.6|
|170||172,052||1.0121||1.0328||486.2|
|180||182,398||1.0133||1.0364||479.0|
|190||192,779||1.0146||1.0401||471.6|
|200||203,200||1.0160||1.0440||464.3|
|210||213,660||1.0174||1.0481||456.8|
|220||224,162||1.0189||1.0524||449.4|
|230||234,708||1.0204||1.0568||441.9|
Wasser ist das allgemeinste Lösungsmittel für gasförmige, flüssige und feste Körper (vgl. Absorption 1 und Lösung). Es reagiert neutral, verhält sich aber starken Säuren gegenüber wie eine Base und starken Basen gegenüber wie eine Säure. Indem es sich mit den Anhydriden verbindet, bildet es je nach der Natur derselben Basen oder Säuren (Konstitutionswasser). Kristallisierende Körper pflegen bei der Kristallisation sehr viel Wasser aufzunehmen (Kristallwasser), welches oft aber nur lose gebunden ist und selbst schon beim Liegen der Kristalle in [* 10] trockner Luft unter Zerfall der Kristalle entweicht (Verwittern). Wasser ist sehr allgemein zur Einleitung chemischer Prozesse erforderlich, da die meisten Körper bei vollkommener Trockenheit nicht aufeinander einwirken.
Durch den galvanischen Strom wird es in seine Bestandteile zerlegt, und zwar entwickeln sich am negativen Pol 2 Volumen Wasserstoff und am positiven Pol 1 Volumen Sauerstoff. Auch bei hinreichend hoher Temperatur wird Wasser zersetzt. Viele Metalle (wie Kalium, Natrium etc.) zersetzen Wasser schon bei gewöhnlicher Temperatur, indem sie sich mit dessen Sauerstoff verbinden; andre thun dies nur beim Erhitzen in Wasserdampf, aber bei gewöhnlicher Temperatur auch bei Anwesenheit einer Säure (Eisen, [* 11] Zink etc.).
Das in der Atmosphäre enthaltene gasförmige Wasser scheidet sich bei hinreichendem Sinken der Temperatur in flüssigem Aggregatzustand und in Form kleiner Tröpfchen ab, sei es nun als Tau auf allerlei durch Strahlung abgekühlten Gegenständen, sei es als Nebel oder Wolken, aus denen es als Regen, Schnee [* 12] oder Hagel auf die Erde herabfällt. Von diesem Meteorwasser wird der größte Teil durch Verdunstung direkt der Atmosphäre wieder zugeführt. Das nicht verdunstete Wasser dringt meist in den Boden bis zur nächsten undurchlässigen Schicht, auf der es, dem Gesetz der Schwere folgend, weiter fließt, bis es schließlich durch Brunnen [* 13] künstlich gehoben oder als Quelle [* 14] zu Tage tritt, um mit dem oberflächlich abfließenden.
Meteorwasser in Bächen und Flüssen dem Meer zugeführt zu werden. Von allen Wasserläufen, von Seen und vom Meer verdampft Wasser und beginnt von neuem den Kreislauf, [* 15] der aber nicht immer in so engen Grenzen [* 16] wie die angegebenen sich bewegt. Sehr viel Wasser wird in polaren Ländern und auf hohen Gebirgen als Eis festgelegt und erlangt oft erst nach sehr langen Zeiträumen durch Schmelzen wieder größere Beweglichkeit, ein andrer großer Teil des Wassers nimmt seinen Lauf durch die Pflanzen- und Tierkörper und dient hier nicht nur als allgemeines Mittel zur Aufnahme löslicher Stoffe, sondern wird auch vielfach chemisch gebunden und zersetzt.
Die wachsende Pflanze nimmt beständig Wasser aus dem Boden auf, und ein Teil dieses Wassers wird in seine Elemente zerlegt und mit Kohlenstoff, der aus der Kohlensäure stammt, zur Bildung von organischer Substanz (in welche vielfach noch Stickstoff eintritt) verbraucht. Die vegetabilische Substanz wird durch den Ernährungsprozeß der Tiere in tierische umgewandelt; zugleich aber oxydiert das Tier durch seinen Atmungsprozeß viel organische Substanz zu Kohlensäure und Wasser, und diese Produkte gelangen durch den Atmungsprozeß in die Atmosphäre zurück.
Die abgestorbenen Pflanzen und Tiere unterliegen einer langsamen Verbrennung, der Verwesung, und auch hierbei wird das Wasser regeneriert. Große Mengen Pflanzensubstanz werden aber diesem Prozeß entzogen und wandeln sich unter bestimmten Verhältnissen in Torf, Braun- und Steinkohle um, bei deren Bildung ein Teil des Wasserstoffs als Kohlenwasserstoff entweicht, während der Rest bei der technischen Verwendung der fossilen Brennmaterialien endlich zu Wasser oxydiert wird und damit den Kreislauf vollendet.
Wegen seines bedeutenden Lösungsvermögens ist das in der Natur vorkommende Wasser niemals rein. Alles Wasser, welches der Luft ausgesetzt gewesen ist, enthält Sauerstoff, Stickstoff, Kohlensäure und Ammoniak gelöst und zwar stets auf 34,08 Teile Sauerstoff, 65,92 Teile Stickstoff. Von diesem Gasgemisch lösen 1000 Volumen Wasser unter normalem Barometerstand bei 0° 24,71 und bei 15° 17,95 Volumen. Enthält das Wasser aber organische Substanzen, so wird der Sauerstoff zur Oxydation derselben mehr oder weniger vollständig verbraucht.
Regenwasser ist das reinste in der Natur vorkommende Wasser, enthält aber stets Sauerstoff, Stickstoff, Kohlensäure, salpetrigsaures, auch kohlensaures Ammoniak und Staubteile, aus denen es lösliche Stoffe, namentlich Kochsalz, aufnimmt. Am reinsten ist das Regenwasser, welches nach einem längere Zeit andauernden Regen aufgefangen wird. Stadtregenwasser ist stets unreiner als Landregenwasser und enthält namentlich stets schweflige Säure und Schwefelsäure, [* 17] welche aus den Steinkohlenfeuerungen stammen. Am unreinsten ist von Dächern ablaufendes Regenwasser. Die Gesamtmenge der ¶
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Verunreinigungen des Regenwassers beträgt in 1 cbm 11,4 und 50,8 g. Sie schwankt bedeutend nach Lokalität, Jahreszeit, Windrichtung etc. Der Ammoniakgehalt ist bedeutender in Stadtregen als in Landregen und fern von Wohnungen. In der Stadt ist der Ammoniakgehalt im Winter, auf dem Land im Sommer größer. Die Schwankungen im Salpetersäuregehalt sind weit größer als im Ammoniakgehalt, und das Regenwasser ist an beiden Stoffen sowie an Stickstoff in den feuchten und kalten Monaten zweimal so reich als in den trocknen und warmen.
Das Verhältnis der Salpetersäure zum Ammoniak ist an verschiedenen Orten und zu verschiedenen Zeiten sehr ungleich; bei Gewittern nimmt der Gehalt an Ammoniak ab, der an Salpetersäure zu. Die Salze findet man besonders in der Nähe der Küsten und Gradierwerke; sie rühren her von zerstäubtem Salzwasser, aber auch von Staub, welchen das Wasser auslaugt. Reich an organischer Substanz ist die Luft in sumpfigen Gegenden. In Holzgefäßen färbt sich Regenwasser bisweilen braun, indem es vermöge seines Ammoniakgehalts reichlich organische Substanzen aufnimmt.
Durch den Gehalt an letztern ist es sehr geneigt zum Faulen. Das in den Boden eindringende Meteorwasser verliert an die organischen Bestandteile des Bodens, auch an Eisen- und Manganoxydulverbindungen Sauerstoff; daher findet sich letzterer in Quell- und Brunnenwasser meist nur in geringer Menge, wird aber beim Stehen an der Luft alsbald reichlich aufgenommen. Durch das Absorptionsvermögen des Erdreichs verliert das Wasser auch andre Bestandteile, namentlich Ammoniak, nimmt dafür aber viele Mineralstoffe auf, zumal es reichlich Gelegenheit findet, Kohlensäure (die meist aus verwesenden Bodenbestandteilen stammt) zu absorbieren, und dann desto kräftiger lösend und zersetzend auf die Mineralien wirkt.
Man unterscheidet in den Wässern meist gebundene Kohlensäure als diejenige, welche normale Kohlensäuresalze, von der halb gebundenen, welche saure Kohlensäuresalze bildet und beim Kochen ausgetrieben wird, im Gegensatz zur freien Kohlensäure, welche im W. nur gelöst ist. Die Quellwasserbestandteile sind abhängig von der Beschaffenheit des Bodens, aus welchem die Quelle entspringt. Die ältesten Formationen liefern durchweg das reinste, Dolomit das unreinste Wasser. Der Gehalt der nicht verunreinigten Quell- und Brunnenwässer an stickstoffhaltigen organischen Stoffen ist geringer als der des Regenwassers, während der Gehalt an Stickstoff in Form von Salpetersäure- und Salpetrigsäuresalzen wesentlich größer ist.
Die Chlormenge schwankt zwischen 10 und 50 mg, ein größerer Chlorgehalt deutet meist auf Verunreinigung des Bodens (durch Harn) hin. Regelmäßige Bestandteile des Quellwassers sind Kohlensäure-, Schwefelsäure-, Kieselsäuresalze und Chloride, weniger allgemein finden sich Salpetersäure- und Phosphorsäuresalze. Von den Basen fehlen Kalk und Magnesia so gut wie nie, öfter die Alkalien, noch häufiger Eisenoxyd und Thonerde; auch organische Substanzen sind bei weitem nicht immer vorhanden. Der Gehalt der Quellen an einzelnen Mineralstoffen und an Kohlensäure schwankt innerhalb sehr weiter Grenzen, namentlich wenn man jene gehaltreichen Quellen mit in Betracht zieht, welche als Mineralwässer (s. d.) einen ganz eigenartigen Charakter besitzen. Auch bei einer und derselben Quelle ist der Gehalt bedeutenden Schwankungen ausgesetzt; er steigt und fällt im allgemeinen mit der Temperatur und oft so plötzlich wie diese selbst.
Das Flußwasser ist durch Humuskörper, mehr noch durch unlösliche schwebende Mineralstoffe verschieden gefärbt. Die letztern schwanken in ihrer Beschaffenheit je nach dem Boden, durch welchen der Fluß fließt, und ihre Menge wächst außerordentlich nach starken Regenfällen und Hochwasser. An gelösten Stoffen enthält Flußwasser 0,8-16, meist 2-5 Teile in 1000 Teilen und zwar im wesentlichen dieselben Stoffe wie das Quellwasser; oft wird es sehr stark verunreinigt durch die Abflußwässer aus Städten.
Die Summe der gelösten Bestandteile des Flußwassers nimmt im allgemeinen mit dem Lauf der Flüsse [* 19] zu. Der Gehalt an Ammoniak ist geringer als im Regenwasser, und Salpetersäuresalze finden sich nicht in großer Menge, weil die Oxydation in dem fließenden Wasser nur langsam verläuft, viel langsamer als in porösem Boden, aus welchem die Quellen entspringen. Der Gehalt des Flußwassers an gelösten organischen Stoffen schwankt zwischen 0,62 und 2,77 Teilen in 1000 Teilen.
Der Sauerstoffgehalt ist namentlich in unreinem Flußwasser gering; dagegen enthält solches viel Kohlensäure, auch Kohlenoxyd, Wasserstoff, Äthylen und Methan. Man hat angenommen, daß mit organischen Stoffen verunreinigtes Wasser sich auf seinem Lauf durch Oxydation reinige; direkte Versuche haben aber dargethan, daß diese Annahme kaum begründet ist, mindestens verläuft die Selbstreinigung sehr langsam, und es ist unmöglich, den Weg zu bezeichnen, welchen solches verunreinigte Wasser zurücklegen muß, damit seine organische Materie oxydiert werde. Über Meerwasser s. Meer.
Für praktische Zwecke kommt besonders der Kalkgehalt des Wassers in Betracht. Reines Wasser nennt man weich. Es gibt mit Seife sofort Schaum, und durch Alkalisalze, besonders durch Ammoniaksalze, wird die Weichheit noch erhöht. Erreicht dagegen der Gehalt an Kalk- und Magnesiasalzen eine beträchtliche Höhe, so nennt man das Wasser hart. Rührt die Härte von doppeltkohlensaurem Kalk her, so verschwindet sie bei längerm Stehen des Wassers, schneller beim Kochen (vorübergehende Härte), weil sich hierbei der kohlensaure Kalk vollständig abscheidet, während der Gipsgehalt die bleibende Härte veranlaßt, welche sich beim Kochen nicht verändert. Da Alkali- und Ammoniaksalze die Lösung humusartiger Stoffe vermitteln, so ist gefärbtes Wasser meist weich; hartes Wasser ist gewöhnlich blau, solches von mittlerer Beschaffenheit grünlich.
Für gewisse technische Zwecke (Färbereien, Wäschereien) bestimmt man den Härtegrad mittels alkoholischer Seifenlösung von bestimmtem Gehalt. Man tröpfelt von dieser Lösung zu einer abgemessenen Menge Wasser und schüttelt nach jedem Zusatz. Solange lösliche Kalk- und Magnesiasalze vorhanden sind, zersetzen diese die Seife unter Bildung unlöslicher Kalk- und Magnesiaseife, und es entsteht beim Schütteln kein bleibender Schaum, der sich aber sofort zeigt, wenn man einen auch nur geringen Überschuß von Seifenlösung zugesetzt hat. Aus der verbrauchten Menge der Seifenlösung kann man daher auf den Kalk- und Magnesiagehalt des Wassers schließen. Man drückt die Härte in Graden aus. In Deutschland [* 20] ist 1° Härte = 1 Teil Kalk (CaO) und die äquivalente Menge MgO (1 Teil MgO = 1,4 Teile CaO) auf 100,000 Teile Wasser (10 mg auf 1 Lit.), in Frankreich = 1 Teil kohlensaurem Kalk auf 100,000 Teile Wasser, in England = 1 Grain kohlensaurem Kalk auf 1 Gallon Wasser. Demnach ist
|deutsch||engl.||franz.|
|1 deutscher Härtegrad =||-||1.25||1.79|
|1 englischer [Härtegrad] =||0.8||-||1.43|
|1 französischer [Härtegrad] =||0.56||0.7||-|
¶