Wasseranomalien: Häufiges und häufig vorkommendes Molekül im Universum

Wasser: Eine Flüssigkeit mit mysteriösen Verhaltensweisen

Wasser ist einer der seltenen Stoffe, bei dem rund 70 Anomalien festgestellt wurden. Diese Anomalien betreffen seine thermodynamischen, mechanischen, strukturellen und sogar akustischen Eigenschaften. Sie ergeben sich aus dem kooperativen Charakter vonWasserstoffbrückenbindungenund erklären Sie, warum Wasser die Grundlage des Lebens, wie wir es kennen, ist.

Hinweis: :
DERWasserstoffbrückenbindungensind gerichtete Dipol-Dipol-Wechselwirkungen zwischen einem Wasserstoffatom, das an ein stark elektronegatives Atom (z. B. Sauerstoff) gebunden ist, und einem anderen elektronegativen Atom. In Wasser kann jedes Molekül bis zu vier Wasserstoffbrückenbindungen bilden und so ein dynamisches Netzwerk bilden. Dieses Netzwerk ist die Hauptursache für die meisten Wasseranomalien, einschließlich seiner maximalen Dichte, seiner hohen spezifischen Wärme und seiner nichtmonotonen Viskosität.

Die vier Hauptfamilien von Anomalien

• Thermodynamik: hohe spezifische Wärme, maximale Dichte bei 4°C,Verdampfungsenthalpie, ungewöhnlicher kritischer Punkt, Gefrierpunkt unter Druck, hoher Siedepunkt.
• Dynamik: nichtmonotone Viskosität, zunehmende molekulare Diffusion im unterkühlten Bereich, Unterkühlung (Unterkühlung), minimale Kompressibilität.
• Strukturell: instabiles tetraedrisches Netzwerk, Koexistenz dichter und offener Mikrostrukturen, abnormale Ausdehnung während der Erstarrung, mehrfache Eispolymorphe, sehr hohe Oberflächenspannung.
• Optik und Dielektrika: sehr hohe Dielektrizitätskonstante, besondere Infrarotabsorption, ungewöhnliche Schallgeschwindigkeit, hohes Lösungsvermögen.

Beispiel einer faszinierenden Anomalie: Nichtmonotone Viskosität von Wasser und extremes Verhalten

DortViskosität von Wasserist eine der faszinierendsten Anomalien. Im Gegensatz zu den meisten Flüssigkeiten nimmt die Viskosität nicht linear mit der Temperatur ab. Es präsentiert einemindestens etwa 30°C, steigt dann leicht an, wenn die Temperatur 0 °C erreicht. Dieses Verhalten, genanntnichtmonotone Viskosität, liegt an derdynamische Reorganisation des Wasserstoffbindungsnetzwerksdas bei niedrigen Temperaturen fester wird und die molekulare Bewegung verlangsamt.

Unter extremen Bedingungen, etwa in kalten, spärlichen Regionen des interstellaren Raums, können Wassermoleküle selbst bei sehr niedriger Dichte und Temperatur hochgeordnete Strukturen bilden. Theoretische Studien und Simulationen legen dies naheinterstellares Wasserkönnte ein präsentierenextrem hohe Viskosität, vergleichbar mit oder sogar besser als Honig auf der Erde. Dieses Phänomen wird durch das nahezu permanente Vorhandensein stark korrelierter Wasserstoffbrückenbindungen und das Fehlen thermischer Störungen erklärt.

Molekulare Verkapselung dank der extremen Viskosität von Wasser

Unter Bedingungen vonextrem hohe Viskosität, wie sie in bestimmten Weltraumumgebungen oder bei niedrigen Temperaturen beobachtet werden, kann Wasser als real wirkenStrukturierendes Lösungsmittel.

Das Netzwerk vonstark korrelierte Wasserstoffbrückenbindungengibt Wasser die Fähigkeit dazuhaften an benachbarten Molekülen, stabilisiert ihre relative Position und begrenzt ihre Verbreitung.

Dieses Phänomen ermöglicht es dem WasserMoleküle einfangen und einkapseln, wodurch schützende Mikroumgebungen entstehen, die:

• Schützen Sie empfindliche organische Moleküle vor chemischem oder strahlungsbedingtem Abbau.
• Erleichtern Sie chemische Reaktionen, indem Sie die Reaktanten auf engstem Raum zusammenbringen.
• Dienen als Matrix bei der Bildung von amorphem Eis und mit Wasser angereicherten interstellaren Körnern.

Hinweis: :
L'molekulare Verkapselungdurch Wasser ist eine direkte Folge derextreme Viskosität und strukturiertes Wasserstoffnetzwerk. Diese Eigenschaft könnte eine grundlegende Rolle in der präbiotischen Chemie und der Bildung der ersten Molekülblöcke im Universum spielen.

Nicht erschöpfende Tabelle der physikalischen und chemischen Anomalien von Wasser