Das Wassermoelkül

Alle Stoffe auf der Erde bestehen aus Molekülen. Das Wassermolekül ist das am meisten vorkommende Molekül auf der Erde und ist zugleich auch eines der einzigartigsten, was im Verlauf dieses Textes deutlich werden wird. Moleküle bestehen aus kleineren Teilen, sogenannten Atomen. Das Wassermolekül besteht aus drei Atomen: einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen. Sauerstoff, der Stoff den wir alle  zur Atmung benötigen, besteht aus zwei Sauerstoffatomen. Das chemische Symbol für Wasser ist H2O, dabei steht H2 für zwei Wasserstoffatome und O für ein Sauerstoffatom. Die sehr starken elektromagnetischen Kräfte halten diese Atome in einem Molekül zusammen.

Eine gleichzeitige elektromagnetische Anziehung existiert auch zwischen einzelnen Molekülen. Moleküle sind ständig in Bewegung, wobei deren Verbindungen fortwährend zerbrechen und sich wiederum mit anderen Molekülen verbinden. Unter hohem Druck und niedrigen Temperaturen, besizten Moleküle gwöhnlich eine viel geringere Bewegungsgeschwindigkeit und befinden sich in der Regel in festem Zustand. In diesem Zustand, ist der Abstand zwischen einzelnen Molekülen relativ klein und die Dichte des Stoffes ist relativ hoch. Wenn der Druck oder die Temperatur ansteigt, bewegen sich die Moleküle schneller und werden die Verbindungen zwischen den Atomen abgeschwächt. Unter diesen Voraussetzungen wird ein fester Stoff schmelzen und sich eine Flüssigkeit bilden. Bei noch höheren Temperaturen oder bei niedrigerem Druck werden die Verbindungen innerhalb des Moleküls weiter abgeschwächt und der Stoff geht vom flüssigen Zustand über in ein Gas. Dies wird auch als Siedepunkt eines Stoffes bezeichnet. In diesem Stadium ist die Distanz zwischen den Molekülen so groß und sind die intermolekularen Bindungen fast nicht mehr vorhanden, wodurch Gase eine sehr geringe Dichte haben. Die Koch- und Schmelzpunkte sind für jeden Stoff, abhängig von der Zusammensetzung auf der Erde sehr unterschiedlich. Unter normalem Druck und normaler Temperatur, zum Beispiel, ist Sauerstoff ein Gas, während Quecksilber flüssig ist und Gold im festen Zustand vorkommt. Jeglich Wasser ist eine Substanz, die in allen drei Zuständen: Eis (fest), Wasser (flüssig) und Dampf (Gas), natürlich vorkommt.

Viele der einzigartigen Eigenschaften von Wasser basieren auf der starken Bindung zwischen den Wasser(H2O)-Molekülen. Die Wasserstoffatome (H2) im Wasser haben eine leichte negative Ladung, während das Sauerstoff (O)-Atom eine leichte positive Ladung hat. Dabei entsteht im Molekül eine Polarität - das heißt, eine Seite ist positiv, und die andere, negativ, was auch als Dipol bezeichnet wird. Ähnlich wie bei einem Magneten, werden die Wasserstoffatome eines Wassermoleküls von dem Sauerstoffatom eines anderen Wassermoleküls angezogen. Da Wassermoleküle ständig in Bewegung sind, zerbrechen die Wasserstoffbrücken permanent und werden wiederum neugeformt,. Das passiert alle 200 Femtosekunden, das sind 0,0000000000002 Sekunden oder 5 Billionen mal pro Sekunde. Die Wasserstoffbrückenbindung ist schwächer als die Bindungen zwischen Atomen in einem Molekül, allerdings ist sie stärker als bei allen anderen intermolekularen Verbindungen.

Wenn Wasser zu Eis wird, bildet es seine kristalline Struktur,  das eine weitere Verdichtung der Moleküle verhindert. Aufgrund der Wasserstoffbindungen, kann Wasser im flüssigen Zustand allerdings eine höhere Dichte erreichen als im festen Zustand: dies führt dazu, dass Eis auf dem Wasser schwimmt. Die höchste Dichte von Wassermlekülen liegt bei 4°C (39,2°F). Das Wassermolekül ist eines der wenigen Moleküle, das seine höchste Dichte im flüssigen Zustand erreicht. Wenn Wasser nicht dichter als Eis wäre, würden die Seen in den kälteren Regionen der Erde komplett zufrieren, da das Eis dann zum Boden absinken würde. Dabei würde Im Sommer nur die oberste Schicht der Seen auftauen. Da jedoch die höchste Dichte von Wasser bei 4°C liegt, befriert nur die oberste Schicht des Wassers, während unter dem Eis die Temperatur auf 4°C fällt und somit flüssig bleibt. Durch die Eisschicht kann darunterliegendes Eis nicht mehr so einfach geformt werden, da hierfür kein Raum mehr zur Verfügung steht. Dies ermöglicht es Pflanzen und Tieren unterhalb der Eisschicht auch im Winter zu überleben.
Weitere Besonderheiten von Wasser im Zusammenhang mit der Wasserstoffbindungen sind die  gute Eigenschaft als Lösungsmittel und dessen hohe Oberflächenspannung. Wasser ist bekannt als eines der universellen Lösungsmittel, das fast alles auflösen kann, mit Ausnahme von "hydrophoben" (wörtlich: "Wasser-fürchtende") Stoffen, wie z. B. Fette und Öle. Substanzen die  "hydrophil" sind (wörtlich: "Wasser-liebend") lösen sich dagegen sehr leicht im Wasser auf. Weil Wasser-Moleküle sehr klein sind, und von dipolarer Natur, wird jegliche hydrophile Substanz, die mit Wasser in Kontakt tritt und eine positive oder eine negative Ladung besitzt, sich im Wasser spontan auflösen. Die positiv geladenen Moleküle bilden Verbindungen mit dem Sauerstoffbestandteil des Wassermoleküls, während die negativ geladenen Moleküle Wasserstoffbrückenbindungen mit den Wasserstoffatomen des Wassermoleküls eingehen. Allerdings lösen sich unpolare und hydrophobe Moleküle wie Öl nicht im Wasser.

Die hohe Oberflächenspannung ist eine wesentliche Voraussetzung für das Wechselspiel, die auch als "Kapillarität" bezeichnet wird.

Kapillaraszension ist der Prozess, bei dem sich Wasser in einem schmalen Rohr (Kapillar) entgegengesetzt der Schwerkraft bewegt. Es tritt auf, weil sich Wasser an den Seiten der Röhre festhält (adhesiert), wobei die Oberflächenspannung die Oberfläche probiert zu glätten. Dabei steigt die Oberfläche und zusätzliches Wasser wird in die Röhre gesogen. Der Prozess wiederholt sich solang, bis sich die Schwerkraft des eingesogenen Wassers und die Adhesionskraft des Wassers im Gleichgewicht befinden. Der gleiche Kohesionsprozess (Zusammenhalt) findet sich auch in Pflanzen, speziell in Bäumen, wobei dieser Prozess genutzt wird um Wasser und Nährstoffe aus den umliegenden Böden zu extrahieren und diese in die Baumkronen zu transportieren. Durch die hohe Oberflächenspannung des Wassers können sich sogar leichte Objekte auf dem Wasser befinden ohne unterzutauchen. Eine Paradebeispiel hierfür ist die „Jesus-Christus-Echse" (Basilisk Eidechse in Lateinamerika) und der Wasserläufer, ein Insekt, das buchstäblich zu Fuß auf dem Wasser läuft!