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2.14: Wasserzustände
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2.14: States of Water

2.14: Wasserzustände

Water exists in three main states: solid (ice), liquid, and gas (steam). The state water is in depends on the intermolecular forces that draw water molecules together and the kinetic energy that pulls them apart.

Water freezes when the intermolecular forces are greater than the kinetic energy. Unlike most other substances, water is less dense in its solid state than it is in its liquid state. This is because each water molecule is capable of bonding with four molecules, forming a spaced, tetrahedral organization. This characteristic of water allows ice to float. Without floating ice, bodies of water would freeze from the bottom up, killing aquatic life.

When kinetic energy is applied to ice in the form of heat, ice melts into liquid water. In this state, bonds between water molecules constantly break and form again. When ice melts, the temperature of the water remains at the melting point until the whole volume is liquid. Only then will the water temperature increase beyond the melting point.

As kinetic energy overpowers intermolecular forces, liquid water (or even ice) turns into a gas. The process of generating steam from liquid water is called vaporization. Increases in kinetic energy can occur within the sample, as with boiling, or can happen at the surface when water evaporates. The process by which a gas is generated directly from a solid, without first going through a liquid phase, is called sublimation. This transition is dependent on low atmospheric pressure, augmenting the effects of kinetic energy.

When kinetic energy drops, steam can transition into a liquid, a process called condensation, or directly into a solid, a process called deposition or desublimation. Condensation accounts for rain, and deposition accounts for snow.

In the search for other biocompatible planets, the presence of water is a crucial feature, especially in liquid form, because life on Earth began in water. Enceladus is an ice-covered moon of Saturn that has water plumes or geysers on its southern pole. This initially generated much debate over whether Enceladus has liquid water under the ice, as the plumes were found to carry both steam and ice. However, the moon’s orbit around Saturn and other clues suggest the presence of a vast liquid ocean in Enceladus, making it potentially hospitable for life.

Wasser kommt in drei Aggregatzuständen vor: fest (Eis), flüssig und gasförmig (Dampf). Der Zustand, in dem sich das Wasser befindet, hängt von den intermolekularen Kräften ab, welche die Wassermoleküle zusammenziehen, und gleichzeitig von der kinetischen Energie, die sie auseinander zieht.

Wasser gefriert, wenn die intermolekularen Kräfte größer als die kinetische Energie sind. Im Gegensatz zu den meisten anderen Stoffen ist Wasser im festen Zustand weniger dicht als im flüssigen Zustand. Dies liegt daran, dass jedes Wassermolekül in der Lage ist, sich mit vier Molekülen zu verbinden und eine räumliche, tetraedrische Struktur zu bilden. Diese Eigenschaft des Wassers lässt das Eis schwimmen. Ohne schwimmendes Eis würden Wasserkörper von unten nach oben gefrieren und Wasserlebewesen töten.

Wenn kinetische Energie in Form von Wärme auf Eis übertragen wird, schmilzt das Eis zu flüssigem Wasser. In diesem Zustand brechen die Bindungen zwischen den Wassermolekülen immer wieder auf und bilden sich neu. Wenn Eis schmilzt, bleibt die Temperatur des Wassers am Schmelzpunkt, bis das gesamte Volumen flüssig ist. Erst dann steigt die Wassertemperatur über den Schmelzpunkt hinaus an.

Wenn die kinetische Energie die intermolekularen Kräfte überwältigt, wandelt sich flüssiges Wasser (oder sogar Eis) in Dampf um. Der Prozess der Dampferzeugung aus flüssigem Wasser wird als Verdampfung bezeichnet. Erhöhungen der kinetischen Energie können wie beim Sieden innerhalb der Flüssigkeit auftreten oder an der Oberfläche Wasser zum Verdampfen bringen. Der Prozess, bei dem ein Gas direkt aus einem Festkörper erzeugt wird, ohne vorher eine flüssige Phase zu durchlaufen, wird als Sublimation bezeichnet. Dieser Übergang ist vom niedrigen Atmosphärendruck abhängig, wodurch die Auswirkungen der kinetischen Energie verstärkt werden.

Wenn die kinetische Energie sinkt, kann der Dampf geht er wieder in eine Flüssigkeit über. Dieser Prozess wird Kondensation genannt. Geht der Dampf direkt in einen Festkörper über, wird der Prozess Ablagerung oder Desublimation genannt. Kondensation ist für Regen verantwortlich, Desublimination hingegen für die Entstehung von Schnee.

Bei der Suche nach anderen biokompatiblen Planeten ist das Vorhandensein von Wasser insbesondere in flüssiger Form ein entscheidendes Merkmal. Das Leben auf der Erde begann nämlich im Wasser. Enceladus ist ein eisbedeckter Mond des Saturn, der an seinem Südpol Wasserfontänen oder Geysire besitzt. Dies löste zunächst eine große Debatte darüber aus, ob Enceladus flüssiges Wasser unter dem Eis hat. Es stellte sich nämlich heraus, dass die Wasserfontänen sowohl Dampf als auch Eis mit sich führten. Die Umlaufbahn des Mondes um den Saturn und andere Hinweise deuten jedoch auf das Vorhandensein eines riesigen flüssigen Ozeans in Enceladus hin und machen den Mond somit potenziell lebensfreundlich.


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