Faszination Wasser

Die zwei Formen des Wassers

von Katharina Trautvetter
Nur wenigen ist bekannt, dass H2O, so die chemische Formel, auf molekularer Ebene in zwei Formen (Isomeren) auftreten kann.

Nur wenigen ist bekannt, dass H2O, so die chemische Formel, auf molekularer Ebene in zwei Formen (Isomeren) auftreten kann. Quelle: https://pixabay.com/ | Autor: cocoparisienne

Der Unterschied zwischen den beiden Formen von Wasser ist mit dem bloßen Auge nicht erkennbar. Denn Para- und Ortho-Wasser unterscheiden sich lediglich auf molekularer Ebene. Ein Team von Wissenschaftlern der Universität Basel, der Universität Hamburg und des ebenfalls in der Hansestadt ansässigen Deutschen Elektronen-Synchrotrons (DESY) hat die beiden Wassermoleküle genauer untersucht und  in Versuchen nachgewiesen, dass sich die beiden Wassermolekül-Formen in chemischen Reaktionen nicht gleich verhalten. Damit führen sie uns vor Augen, dass wir in der Wasserforschung noch immer am Anfang unserer Erkenntnisse stehen. 

Jeder weiß, dass Wassermoleküle aus einem Sauerstoff- und zwei Wasserstoffatomen bestehen. Weniger bekannt ist, dass H2O, so die chemische Formel, auf molekularer Ebene in zwei Formen (Isomeren) auftreten kann. Die Unterscheidung ergibt sich aus der Orientierung der Kernspins der beiden Wasserstoffatome. Zeigen sie in die gleiche Richtung spricht man von ortho-Wasser, bei para-Wasser sind die Spins der Wasserstoffkerne antiparallel. Wie die Forscher nun belegen konnten, hat das Auswirkungen auf ihre chemischen Eigenschaften.

Die Teilung des Wassers

Das Hauptaugenmerk der Forscher lag darin herauszufinden, ob und wie sich para- und ortho-Wassermoleküle in ihrer chemischen Reaktivität unterscheiden. Um dies feststellen zu können, musste das Team von Erstautorin Ardita Kilaj von der Universität Basel zunächst die beiden Formen voneinander trennen. „Para- und ortho-Wasser haben fast identische physikalische Eigenschaften, was ihre Trennung sehr schwierig macht“, erklärt sie im Forschungsbericht, der im Fachjournal „Nature Communications“ im Mai 2018 erschien. Die Moleküle sind außerdem labil und können durch Zusammenstöße untereinander ständig ihre Form wechseln.


Abhilfe schaffte ein am Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg entwickelter „elektrischer Plasma“. Dieser ermöglichte es, Wassermoleküle in einem dünnen Strahl durch ein elektrisches Feld zu schicken, wobei para- und ortho-Wasser jeweils unterschiedlich stark abgelenkt und so voneinander getrennt werden.

Wassermoleküle reagieren unterschiedlich

Die säuberlich sortierten Wasser-Isomere konnten nun isoliert untersucht werden. In einer Reaktion mit „protoniertem Stickstoff“ (ultrakalten Diazenylium-Ionen) wiesen die Forscher nach, dass para-Wasser seine Reaktionspartner stärker anzieht, also eine höhere chemische Reaktivität aufweist. „Es zeigte sich, dass para-Wasser um rund 25 Prozent schneller reagiert als ortho-Wasser“, so der Leiter der Forschungen, Prof. Stefan Willitsch von der Universität Basel.


Es gibt nur ein kleines Aber: Die Reaktion fand nahe dem absoluten Nullpunkt (ungefähr -273 C° statt). Bei diesen tiefen Temperaturen herrschen ideale Bedingungen, um Quantenzustände und Energieinhalte einzelner Moleküle kontrolliert zur Reaktion zu bringen. Die Frage bleibt, wie sich die beiden Formen bei höheren Temperaturen verhalten. Gesichert ist, dass das Verhältnis von ortho- zu para-Wasser bei Raumtemperatur drei zu eins liegt und mit der Temperatur fällt. 


Die gewonnenen Erkenntnisse könnten eine wichtige Grundlage für neue Forschungsansätze für angrenzende Fachgebiete wie Chemie, Biologie oder Astrophysik liefern. 

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