How big is Wassermolekül?

Ein Wassermolekül ist die kleinste Einheit von Wasser: ein Sauerstoffatom, verbunden mit zwei Wasserstoffatomen, geschrieben H₂O. Es ist etwa 0,28 Nanometer (280 Pikometer) breit, gemessen als der Platz, den ein Molekül zwischen seinen Nachbarn einnimmt. Ein Nanometer ist ein Milliardstel eines Meters, ein Pikometer ein Tausendstel eines Nanometers.

Größe

Ein Molekül hat keine feste äußere Oberfläche. Seine Elektronen bilden eine Wolke, die allmählich dünner wird, weshalb seine Größe davon abhängt, wie sie gemessen wird.

Die Mittelpunkte seiner drei Atome liegen eng beieinander. Jedes Wasserstoffatom ist etwa 0,096 Nanometer vom Sauerstoffatom entfernt, und die beiden Bindungen treffen sich in einem Winkel von etwa 104,5 Grad. Dieser Winkel verleiht dem Molekül eine gewinkelte Form, wobei die beiden Wasserstoffatome etwa 0,15 Nanometer auseinanderliegen.

Die Elektronenwolke reicht über die Mittelpunkte der Atome hinaus, sodass jedes Molekül mehr Platz einnimmt als das. Wissenschaftler schätzen seine Größe oft danach ab, wie dicht Wassermoleküle sich aneinanderpacken. In flüssigem Wasser ergeben Röntgenmessungen für die Mittelpunkte benachbarter Moleküle einen Abstand von 0,280 Nanometern. Eine Lehrbuchschätzung, die darauf beruht, wie viele Moleküle in einen Liter Wasser passen, ergibt etwa 0,3 Nanometer.

Größenvergleiche

Etwa 290.000–360.000 Wassermoleküle, nebeneinandergelegt, würden die Breite eines Menschenhaares ergeben, das 0,08–0,1 Millimeter breit ist.
Wäre ein Wassermolekül auf die Größe eines Tennisballs vergrößert, wäre ein 0,1 Millimeter breites menschliches Haar etwa 24 Kilometer breit.
Ein Cäsiumatom, eines der größten Atome, ist etwa 0,5 Nanometer breit, nicht ganz doppelt so breit wie ein Wassermolekül.

Warum Wassermoleküle aneinander haften

Sauerstoff zieht gemeinsam genutzte Elektronen stärker an als Wasserstoff. Deshalb halten sich die Elektronen eines Wassermoleküls länger in der Nähe des Sauerstoffatoms auf. Dadurch erhält das Sauerstoffende eine leicht negative Ladung und die Wasserstoffenden eine leicht positive Ladung. Ein Molekül mit so getrennten Ladungen nennt man polar.

Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an, sodass jedes Wassermolekül an seinen Nachbarn zieht. Diese Anziehungskräfte werden Wasserstoffbrückenbindungen genannt. Sie halten die Wassermoleküle an der Oberfläche einer Flüssigkeit zusammen und verleihen dem Wasser dadurch seine Oberflächenspannung. Deshalb bildet Wasser auf einer trockenen Oberfläche Tropfen, statt sich flach auszubreiten.

Wie Wasser in Zellen gelangt

Wasser durchquert die Membranen vieler Zellen schnell durch Proteinkanäle namens Aquaporine. Peter Agre und seine Kollegen identifizierten den ersten davon in den Membranen menschlicher roter Blutkörperchen, von denen jedes etwa 200.000 solcher Kanäle trägt. Für die Entdeckung der Wasserkanäle erhielt Agre 2003 gemeinsam mit anderen den Nobelpreis für Chemie.

An seiner engsten Stelle ist der Kanal 0,28 Nanometer breit, etwa so groß wie ein einzelnes Wassermolekül. Wassermoleküle passieren ihn deshalb im Gänsemarsch, etwa 3 Milliarden pro Sekunde durch jeden Kanal. Die enge Öffnung und eine elektrische Ladung darin halten Protonen zurück, die geladenen Teilchen, die eine Flüssigkeit sauer machen. In den Nieren helfen Aquaporine dabei, 99 % des aus dem Blut gefilterten Wassers zurückzugewinnen.