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Grundlagen der Bauchemie – Kreislauf des Wassers [Teil 1]

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Rund 71 % der Erdoberflächedas sind 360 Mio. km² – sind Meere, Seen und Flüsse. Außer flüssigen Wassern enthält die Erdrinde in kristalliner Form gebundenes Wasser, z. B. im Gipsstein.

Wasserarten nach dem Vorkommen in der Natur

  • Wasser unterteilt sich Meerwasser (97,4 %), Binnenwasser, Quellwasser
  • Binnenwasser unterteilt sich in Oberflächenwasser (stehend: z.B. Teiche, Seen, Talsperren, Rückhaltebecken; fließend: z.B. Bäche, Flüsse) und Grundwasser

Bedeutung des Wassers

Ohne Wasser gibt es kein Leben. Wasser ist Hauptbestandteil aller lebenden Organismen: Pflanzen, Tiere und Menschen. Die Versorgung einer Volkswirtschaft mit Wasser ist ein Maßstab für deren technischen, wirtschaftlichen und zivilisatorischen Standard. In den Industriestaaten ist Wasser ein wertvoller Rohstoff, mit dem sparsam gewirtschaftet werden sollte. Da in der Bundesrepublik Deutschland die natürlichen Wasservorkommen (Quellen, Brunnen, Flüsse) den gestiegenen Wasserbedarf nicht decken können, muss zunehmend Abwasser gesammelt, gereinigt und wieder aufbereitet werden.

Chemischer Aufbau

Wasser entsteht aus den Gasen Wasserstoff H und Sauerstoff O und hat die chemische Formel H2O. die Reaktionsgleichung zeigt, dass sich 1 Molekül des zweiwertigen Sauerstoffs mit 2 Molekülen des einwertigen Wasserstoffs zu 2 Molekülen Wasser verbindet:

2H2 + O2  → 2 H2O

Dabei  wird Wärme frei; die Bildung von Wasser ist also ein exothermer Prozess.
Im Bohrschen Atommodell stellt man sich vor, dass die 2 Elektronen der beiden Wasserstoffatome auf der äußeren (L-)Schale des Sauerstoffatoms die Plätze 7 und 8 besetzen. 2 Elektronen des Sauerstoffatoms nehmen die Plätze 2 auf der K-Schale des Wasserstoffatoms ein. Diese 4 Elektronen gehören dann sowohl zum Sauerstoffatom als auch zu je einem Wasserstoffatom.

Aggregatzustände

Wasser kann als einziger Stoff in der Natur gleichzeitig in den drei Aggregatzuständen fest, flüssig und gasförmig vorkommen. Die Änderungen seiner Aggregatzustände kann man als einen Kreislauf betrachten.
Der direkte Übergang vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand und umgekehrt heißt Sublimation und Resublimation. Der flüssige Aggregatzustand wird dabei übersprungen.
Beispiele für eine Sublimation sind die Bildung von Wasserdampf direkt aus Eis und von Hagelkörnern direkt aus Wasserdampf. Die Übergangspunkte der Aggregatzustände werden bei steigender und sinkender Temperatur unterschiedlich bezeichnet.

Anomalie des Wassers

(Anomalie = Regelwidrigkeit)

Regel: Fast alle Stoffe in der Natur vergrößern bei steigender Temperatur ihr Volumen, dabei sinkt die Dichte. Umgekehrt verringern sie ihr Volumen bei sinkender Temperatur, und ihre Dichte steigt. Der feste Aggregatzustand eines Stoffes ist dichter als sein flüssiger Aggregatzustand. Der Feststoff versinkt in seiner Schmelze.
Regelwidrigkeit des Wassers: Bei sinkender Temperatur (bis auf + 4° C) verringert Wasser sein Volumen. Bei + 4 ° C hat es sein kleinstes Volumen und damit seine größte Dichte erreicht. Sinkt die Temperatur weiter, vergrößert Wasser sein Volumen wieder, und seine Dichte sinkt. Bei 0° C erstarrt Wasser zu Eis, dessen Volumen um rund 10 % wächst. Dadurch sinkt seine Dichte von 1 kg/dm³ auf etwa 0,91 kg/dm³. Der Feststoff Eis ist leichter als die Flüssigkeit Wasser: Eis schwimmt auf seiner Schmelze Wasser.
Als Ursache dieser Anomalie nimmt man an, dass sich unter + 4 ° C Großmoleküle aus bis zu 8 normalen Wassermolekülen bilden. Das Volumen eines Großmoleküls ist größer als die Summe der Volumen der Einzelmoleküle.

Bautechnische Hinweise

Alle Baustoffe, Bauteile und Bauwerke, die dem Eindringen von Wasser ausgesetzt sind (besonders Mauerwerk, Außensputz, Plattenbelag, Estrich und Straßendecken), sollten möglichst dicht, wasserabweisend oder wasserableitend sein, damit kein Wasser in Hohlräume, Fugen, Risse und Poren eindringen kann. Eingedrungenes Wasser gefriert, dehnt sich aus und zerstört das Gefüge der Baustoffe und Bauteile:

  • Putz, Beton, Fugenmörtel und Steine zerbröckeln und platzen ab
  • Estriche und Bodenbeläge aus Platten wölben sich auf
  • In Kapillaren des Bodens aufsteigendes Wasser gefriert unter der Straßendecke und führt zu Frosthebungen
  • In Risse der Straßendecke eindringendes Wasser zerstört beim Gefrieren die Deckschicht und verursacht Schlaglöcher
  • Wasser in Versorgungs- und Entsorgungsleitungen gefriert, die Leitungen platzen

Weiterführende Informationen

weiter geht es im 2. Teil mit aggressiven, weichen und hartem Wasser  sowie Wasser als Werkstoff und Hilfsstoff.

Bildnachweis:
© guukaa – Fotolia.com (oben), © Andrey Armyagov – Fotolia.com (mitte), © Ideeah Studio – Fotolia.com (unten)

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