WASSER IM ALLGEMEINEN

Faszination Wasser – ein Stoff mit vielen Talenten

WASSER, sechs Buchstaben beschreiben die Quelle und Grundlage des Lebens. Mit noch weniger Zeichen kommt die chemische Formel H₂O aus. Dichter und Weise haben Gedanken übers Wasser geäußert, viele kluge Worte lassen sich im Grunde auf einen Nenner bringen.
Wasser ist nicht alles, aber ohne Wasser ist alles Nichts.

In seiner reinen Form ist Wasser ein geruchloser, farbloser und geschmackloser Stoff. Dieser besteht aus den Elementen Wasserstoff und Sauerstoff und kommt in der Natur flüssig, gasförmig oder fest vor. Im allgemeinen Sprachgebrauch steht der Begriff Wasser für die flüssige Form, der feste Zustand wird meist Eis, Schnee oder Hagel genannt und gasförmiges H₂O wird als Wasserdampf bezeichnet.

Wasser ist überall auf der Erde, an der Oberfläche, im Untergrund, in der Luft und in den Lebewesen, doch es ist ungleichmäßig verteilt. Seit Urzeiten bewegt es sich in einem Kreislauf durch die Welt. Im flüssigen Zustand nimmt es andere Stoffe auf und mit. Deshalb ist flüssiges Wasser selten pur, stattdessen enthält es Mineralstoffe, Spurenelemente und andere Substanzen - je nachdem, woher es gerade kommt. Auf diese Weise entstehen unterschiedliche Wasserarten wie Salzwasser, Süßwasser und Mineralwasser.

Gebrauch

Als Trinkwasser und wahrscheinlich zur Körperpflege hat schon der Urmensch Wasser verbraucht. Mit der Zeit hat der Mensch immer mehr Eigenschaften dieser chemischen Verbindung erkannt und für seinen Vorteil genutzt. Heute kommt die Menschheit in kaum einem Bereich ohne Wasser aus. Es ist Grundnahrungsmittel, Transportmittel, Lösungsmittel, wird genauso zur Erholung wie in der Industrie und in der Medizin eingesetzt.

Übrigens:
Statistisch gesehen werden nur etwa 8 % des verfügbaren Trinkwassers in Privathaushalten verbraucht.

Eigenschaften
Wissenschaftler sprechen von der Dichteanomalie und Besonderheiten mit denen sich Wasser von anderen Stoffen unterscheidet. Diese Eigenschaften verdankt es seiner spezifischen molekularen Struktur:
Zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom verbinden sich zu einem unsymmetrischen Wassermolekül. Über Wasserstoffbrücken bildet es mit weiteren Wassermolekülen dreidimensionale Gebilde, die Wassercluster.

Praktisch fasziniert Wasser mit vielen Talenten:
Es ist weich und manchmal sehr hart, es kann heilen und krankmachen, wärmen und kühlen, ist unentbehrlich zum Leben und kann zum Tod führen. Wasser kann Schiffe tragen und Mühlen antreiben, Durst stillen und Rosen zum Blühen bringen, es kann Feuer löschen, ganze Landstriche überfluten und Felsen sprengen. Wasser rauscht, murmelt, schlägt Wellen, fällt tropfenweise und fließt in Strömen, ruht still oder stürzt über Kaskaden in die Tiefe. Je nach Temperatur dehnt es sich aus, zieht sich zusammen, verdampft, kondensiert, gefriert oder taut.

Wasser - Verteilung und Verfügbarkeit

So viel Wasser auf der Erde

Die Welt hat genügend Wasser für alle – theoretisch zumindest (Vereinte Nationen ).
Von all dem Wasser des Universums befinden sich etwa 1,386 Milliarden Kubikkilometer auf der Erde. Zum Vergleich: Ein Kubikkilometer Wasser reicht, um 400.000 olympische Schwimmbäder zu füllen.

Während in Wüsten permanenter Wassermangel herrscht, sind rund drei Viertel der Erdoberfläche komplett vom Wasser bedeckt. Allerdings ist das meiste davon Salzwasser. Knapp 6 Prozent der irdischen Wasservorräte kommen als Süßwasser vor und nur ein Teil davon ist als Trinkwasser verfügbar. Riesige Süßwassermengen sind an den Polen, in Eisbergen und in den Gletschern der Hochgebirge eingefroren oder als Grundwasser in der Tiefe der Erde gespeichert. Pflanzen, Tiere Menschen und die Luft binden ebenfalls einiges an Wasser. Übrig bleiben Bäche, Flüsse und Seen, deren Wasser relativ leicht zugänglich ist.
Wasser im Kreislauf der Natur

„Alle Flüsse fließen ins Meer und das Meer wird nicht voller“ – stellte, laut Bibel, ein Prediger sinngemäß fest. Schon der Grieche Seneca vermutete unterirdische Wasservorkommen und Leonardo da Vinci erkannte Anzeichen für einen Kreislauf im irdischen Wassersystem. Inzwischen sind die Zusammenhänge dieses Wasserkreislaufes gut erforscht.
Stark vereinfacht:Oberflächenwasser verdunstet, gerät in die Atmosphäre, wird dort verteilt und kehrt als Niederschlag zur Erdoberfläche zurück. Dort versickert es, läuft ins Meer und verdunstet wieder. Dabei verdunstet nur das reine H₂O, aufgenommene Stoffe bleiben übrig.

Übrigens: Experten zufolge verdampfen jeden Tag 1.035 Kubikkilometer Wasser, vorwiegend aus den Ozeanen.

Wasser wird nicht knapp
Dank Schwerkraft und Atmosphäre entweicht kaum Wasser ins All. Wassermoleküle sind relativ stabil außerdem gleichen sich Wasserverluste und neues Wasser aus dem Erdinneren weitgehend aus. Wissenschaftler haben berechnet, dass die Gesamtwassermenge der Erde im gegenwärtigen Entwicklungsstadium gleich bleibt. Demzufolge kann es, global gesehen, nicht wirklich knapp oder verbraucht werden.

Trotz dieser gleichbleibenden Wassermengen sind nicht alle Menschen ausreichend mit sauberem Wasser versorgt. Dies liegt teilweise an den ungleichmäßig verteilten Wasserressourcen und lokal begrenzter Wasserknappheit, aber auch an der mangelnden Wasserinfrastruktur in betroffenen Regionen.
Der Kreislauf von Verdunstung und Niederschlag macht Süßwasser zu einer erneuerbaren Ressource, denn gebrauchtes Wasser reinigt sich von Natur aus selbst. Wann wie viel Gebrauchtwasser wieder als Trinkwasser verfügbar ist, hängt auch vom Verschmutzungsgrad der Abwässer und der Menge des entnommenen Wassers ab.

Bedeutung des Wassers für die Entstehung des Lebens

Wasser – das Elixier des Lebens
„Das Prinzip aller Dinge ist das Wasser, denn Wasser ist alles und ins Wasser kehrt alles zurück.“ Dieser Ausspruch wird dem griechischen Gelehrten Thales von Milet zugeschrieben.
Zweifellos ist Wasser lebensnotwendig. Darüber hinaus sind viele Wissenschaftler überzeugt – die Wiege des Lebens stand im Wasser, wahrscheinlich in den dunklen Tiefen der Ozeane.

Forscher erklären die Entstehung des Lebens sinngemäß folgendermaßen:
Woher das Wasser kam, ist nicht endgültig geklärt. Vor rund 4 Milliarden Jahren befand sich jedenfalls Wasserdampf nebst Kohlendioxid und Stickstoff in der Erdatmosphäre. Als die glühende Erde abkühlte, kondensierte der Wasserdampf und regnete als flüssiges Wasser auf die Erdoberfläche nieder. Regenwasser bedeckte glühend heiße Vulkane und sammelte sich zum Urozean während Stickstoff und Kohlendioxid in der Atmosphäre verblieben.

Im Ozean entstand das Leben
Vermutlich wurden am Grunde dieses Ozeanes, vor etwa 3,5 Milliarden Jahren die ersten Biomoleküle „geboren“. Vulkane spien heißes Wasser in das kühlere Meerwasser. Während das vulkanische Wasser Wasserstoff, Sulfide und Ammoniak mitbrachte, enthielt das Meerwasser Eisen- und Nickelionen sowie Kohlenstoffdioxid. Durch die Temperaturunterschiede reagierten diese Substanzen miteinander und schufen das Umfeld für die Entstehung des Lebens.

Eine Theorie besagt, dass eine Eisen-Schwefel-Welt (ESW) erste Stoffwechselprozesse in Gang setzte. Eine andere Theorie spricht von einer Polymerisation der Moleküle, bei der sich selbstreplizierende Systeme (RNA) bildeten. Die entscheidende Rolle des flüssigen Wassers ist unbestritten.

Damals existierte noch kein frei verfügbarer Sauerstoff, die ersten Organismen lebten sauerstofffrei, also anaerob. Erst als Blaualgen (Cyanobakterien) mit der Fotosynthese begannen, reicherte sich das Meerwasser mit Sauerstoff an. Damit eignete es sich nicht länger als Lebensraum für anaerobe Lebensformen. Diese wurden verdrängt oder passten sich den veränderten Bedingungen an und wurden Aerobier.
Wasser ist essenziell – für Land- und Wasserbewohner

Im Zuge der weiteren Evolution verließen einige Arten das salzige Meer, besiedelten Süßwasser und Festland. Egal ob aus den Anaerobiern aerobe Wasser- oder Landbewohner wurden, Wasser blieb und ist das Lebenselixier.

Wasser ist in den Lebewesen enthalten und reguliert viele Lebensprozesse. Es löst und transportiert Nährstoffe sowie Abfallprodukte des Stoffwechsels. Dabei wird es ausgeschieden und muss zwingend wieder zugeführt werden. Der Wasseranteil in den Organismen ist unterschiedlich. Während Quallen bis zu 99 Prozent Wasser enthalten, verfügen Walnusskerne nur über etwa 7 Prozent. Auch der Mensch besteht zu großen Teilen aus Wasser, bei Neugeborenen sind es etwa 70-80 Prozent, im Körper eines Erwachsenen beträgt der Wassermenge rund 65 Prozent.

Technische Einsatzbereiche von Wasser

„Wasser besiegt Felsen“, „Steter Tropfen höhlt den Stein“, „Wasser auf die Mühlen geben“

Viele geflügelte Worte zeugen von des Wassers Kraft, die sich der Mensch seit mehr als Tausend Jahren zunutze macht. Einst trieb Wasserkraft Mühlen an, heute erzeugen Wasserkraftwerke Elektroenergie. Insgesamt sind die technischen Einsatzbereiche des Wassers vielfältig.

Es wird als Lösungsmittel in der wässrigen Chemie gebraucht, dient als Medium in der Elektrolyse und bei der Galvanik. Weitere Beispiele sind wasserhydraulische Anlagen, Wasserwerfer und der Wasserstrahl in der Schneidtechnik.

Aus der Medizin ist Wasser nicht wegzudenken. Schließlich löst es Arzneien auf, die getrunken oder auch injiziert werden können und birgt die Grundlage für die Hygiene. Medizintechnik mit Wasseranwendungen findet sich in der Zahnarztpraxis genauso wie im Krankenhaus.

Wärmen, Kühlen und Lösen
Wasser zeichnet sich durch eine hohe spezifische Wärmekapazität aus. Weil es Wärme gut speichern und transportieren kann, empfiehlt es sich gleichermaßen als Wärmeleiter und Kühlmittel. Praktische Beispiele für die technische Nutzung sind Warmwasserheizungen, wassergekühlte Motoren und Kühltürme.

Wasser ist ein hervorragendes polares Lösungsmittel und kann viele Stoffe aufnehmen. Weil es Schmutz auflöst und abtransportiert, dient es schon seit Urzeiten zum Reinigen. Heute kommt es genauso in industriellen Waschanlagen zum Einsatz wie im Hochdruckreiniger und in der Waschmaschine.

Dank seiner lösenden Fähigkeiten hilft Wasser beim Trennen von Substanzen, zum Beispiel durch Auslaugen und Extrahieren. Praktisch werden diese Verfahren unter anderem in der Pharmazie, in der Lebensmittelproduktion aber auch bei der Bodensanierung angewendet. Technische Anlagen für diese Prozesse sind zum Beispiel Mixer-Settler, die einzeln oder als Kolonne eingesetzt werden. Für die Extraktion von Aromastoffen aus Kaffeepulver reicht schon eine Kaffeemaschine.

Gerade die vielen Einsätze als Lösungsmittel hinterlassen oft ungewollte Rückstände im Brauchwasser. Anlagen zur Wiederaufbereitung filtern Abfallprodukte und verwertbare Stoffe aus dem Wasser heraus.

Wasser und Ökosysteme

„ Nur die Vielfalt garantiert ein stabiles Ökosystem. Das widerspricht irgendwie der Einfalt der Menschen ...“
© Wolfgang J. Reus

Das globale Ökosystem umfasst den gesamten Lebensraum auf der Erde und alle darin lebenden Organismen. Es reicht im Prinzip von den höchsten Gipfeln der Berge bis in die tiefsten Spalten der Tiefsee und setzt sich aus vielen verschiedenen Ökosystemen zusammen. Dabei werden, je nach Lage, terrestrische und aquatische Ökosysteme unterschieden. Das Lebenselixier Wasser ist in all diesen Systemen präsent, jedoch in unterschiedlichen Mengen.

Wasser in terrestrischen Ökosystemen
Die Ökosysteme auf dem Land werden auf mehrfache Weise vom Wasser beeinflusst. Es formt den Lebensraum und ist essentiell für den Stoffwechsel der darin lebenden Organismen. Allgemein gilt, je größer die verfügbare Wassermenge, desto größer sind die Artenvielfalt und die produzierte Biomasse auf einer bestimmten Fläche. Deshalb sind die wasserreichen tropischen Regenwälder die artenreichsten und produktivsten Ökosysteme des Festlandes. In den wasserarmen, kargen Landstrichen wie Wüsten sind wesentlich weniger Arten von Lebewesen heimisch.

Wasser in aquatischen Ökosystemen
In den aquatischen Ökosystemen ist das Wasser selbst Lebensraum und Nährstofflieferant. Hier hängt die Produktivität von den im Wasser aufgelösten Nährstoffen wie Phosphat und Stickstoff ab. Besonders in den Ozeanen aber auch in anderen Gewässern findet sich eine enorme Artenvielfalt. Aquatische Lebensräume werden auch von den besonderen Eigenschaften des Wassers wie der Dichteanomalie, der Wärmekapazität und der Oberflächenspannung geprägt.

Ökosysteme sind komplex, dynamisch und offen. Sie gehen nahtlos ineinander über und verändern sich durch äußere Einflüsse. Das Wasser verbindet Ökosysteme miteinander, transportiert in seinem Kreislauf Stoffe und Wärmeenergie.

Wasser in der Wissenschaft
Wasser beschäftigt Wissenschaftler vieler Fachgebiete. Geowissenschaftler erforschen unter anderem, wie Wasser die Landschaft verändert und in der Hydrodynamik wird das Strömungsverhalten des Wassers erforscht. In Disziplinen wie die Technische Chemie, Umwelttechnik und Chemische Verfahrenstechnik werden unter anderem Verfahren und Technologien für die Wasseraufbereitung und Abwasserbehandlung entwickelt. Innerhalb der Chemie hat sich die Hydrochemie, auch Wasserchemie genannt, als Teilgebiet entwickelt.

Wasserchemie
Die Wasserchemie ist eine Disziplin angewandten Naturwissenschaften. Sie beschäftigt sich mit den Eigenschaften, Inhaltsstoffen und chemischen Reaktionen des Wassers und bringt theoretische Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung mit der Praxis in Verbindung.

Wasserchemiker betrachten alle Stationen des natürlichen Wasserkreislaufes einschließlich Böden und Atmosphäre und durchleuchten den Stoffhaushalt von Gewässern. Sie analysieren das Gemisch Wasser und untersuchen Reaktionen von anderen Stoffen in und mit dem Wasser. Entsprechend dieser Vielfalt unterteilt sich die Wissenschaft Wasserchemie in mehrere Bereiche, zu denen Wasseranalytik und Gewässerchemie zählen.

Wasseranalytik
H₂O, also Wasser kommt selten allein, als gutes Lösungsmittel enthält es von Natur aus weitere Stoffe. Im Gebrauch durch den Menschen nimmt Wasser ebenfalls Substanzen auf, dies geschieht in der Funktion als Lebensmittel genauso wie in Produktionsprozessen. Dementsprechend groß ist das Spektrum der möglichen Inhaltsstoffe. Wasser kann mit Schadstoffen belastet sein oder Wertstoffe enthalten, es kann hart oder weich, sauer oder basisch sein.

Wasseranalytiker bestimmen die Inhaltsstoffe und deren Konzentration im Wasser. Entsprechend der Zusammensetzung werden die Wässer bestimmten Wassertypen wie Heilwasser, Trinkwasser oder auch Abwasser zugeordnet. Methoden der Wasseranalytik werden auch bei der Auslaugung eingesetzt, wenn wasserlösliche Substanzen aus Feststoffen herausgelöst werden.

Gewässerchemie
Die Gewässerchemie befasst sich mit der Chemie natürlicher Gewässer. Dies schließt stehende und fließende Gewässer sowie Grundwasser und Niederschlagswasser ein. Gewässerchemiker erforschen die chemische Zusammensetzung und die Wechselwirkungen der Inhaltsstoffe sowie die Stoffwechselvorgänge und den Sauerstoffhaushalt. Zu ihren Aufgaben gehören auch die Güte-Bewertung, Beurteilung der Belastung und Selbstreinigungskraft sowie die Ermittlung des Stofftransportes von Gewässern.

Die Erkenntnisse von Wasseranalytik und Gewässerchemie lassen sich in der Praxis vielfältig anwenden. So können Anwendungsbereiche für Wassertypen erschlossen, Gewässer als Trinkwasserreservoir klassifiziert oder Maßnahmen zur Reinigung und zum Gewässerschutz eingeleitet werden.

Trinkwasser – für den täglichen Gebrauch des Menschen

Laut deutschem Umweltbundesamt braucht der Mensch rund 120 Liter sauberes Wasser am Tag, wovon er etwa 2 Liter trinken soll .

Trinkwasser ist ein Wassertyp mit besonderer Qualität, deren Standard von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) definiert wurden. An den entsprechenden Parametern orientieren sich auch die EU-Trinkwasserrichtlinie und die Deutsche Trinkwasserverordnung. Deren offizieller Titel „Verordnung über die Qualität des Wassers für den menschlichen Gebrauch“ umreist den Einsatzbereich von Trinkwasser, der über das Trinken hinausgeht.

Als Trinkwasser gilt demnach Wasser, das für den täglichen Verzehr, zum Zubereiten von Speisen und Getränken und für die Körperhygiene gebraucht wird. Wasser für die Reinigung von Dingen, die mit Lebensmitteln oder dem menschlichen Körper in Kontakt kommen, sollen ebenfalls Trinkwasserqualität haben. Dies gilt nicht nur für den Privathaushalt, sondern auch in öffentlichen Bereichen und in Lebensmittelbetrieben.

Trinkwasserqualität – aufbereiten von Rohwasser
Trinkwasser ist kein reines Wasser im chemischen Sinn, sondern enthält einen bestimmten Anteil gelöster Stoffe. Die Richt- und Grenzwerte dafür sind nach heutigem Wissen so ausgelegt, das der Mensch es ohne gesundheitliche Risiken täglich verzehren und benutzen kann. Die genaue Zusammensetzung des Trinkwassers ist regional unterschiedlich und wird von Wasseranalytikern überwacht.

Hierzulande kommt das Trinkwasser meist aus dem Wasserhahn, entnommen wird es aber aus dem Grundwasser, aus Oberflächenwasser oder aus Quellwasser. Diese Wasserquellen liefern in der Regel noch keine Trinkwasserqualität, sondern Rohwasser mit teilweise unerwünschten Inhaltsstoffen. Deshalb muss dieses Rohwasser entsprechend aufbereitet werden.

Zu den Methoden der Wasseraufbereitung zählen unter anderem Filtration, Flockung und Umkehrosmose. Entstehen soll ein kühles, klares, farbloses Wasser, mit angenehmem Geschmack und Geruch. Es darf einen gewissen Anteil an Mineralstoffen enthalten und soll einen PH-Wert zwischen 6,5 und 9,5 haben.

In vielen Regionen ist Trinkwasser in hoher Qualität über ein zentrales Wasserverteilungssystem für die Menschen zugänglich. Wo diese Versorgung nicht möglich ist, können mobile Wasseraufbereitungsanlagen eingesetzt werden.

Tafelwasser – zum Trinken und Weiterverarbeiten

Tafelwasser ist ein Getränk. Zum Trinken geeignete Wasser werden in mehrere Kategorien unterteilt, die durch EU-Richtlinien und Verordnungen des Lebensmittelrechtes definiert sind. Demnach ist Tafelwasser ein Wasser, das eine oder mehrere Zutaten gemäß § 11 der Mineral- und Tafelwasserverordnung enthält. Außer Trinkwasser und Natürlichem Mineralwasser sind auch Natursole, Meerwasser sowie Natrium- und Magnesiumchlorid als Zutaten eines Tafelwassers erlaubt.

Anders als Heil- und Mineralwasser kommt Tafelwasser nicht als Naturprodukt vor, sondern wird hergestellt. Es muss weder anerkannt noch zugelassen werden und kann überall zusammengemixt werden. Als Lebensmittel muss Tafelwasser selbstverständlich hygienisch einwandfrei sein und die Trinkwasser-Grenzwerte für chemische Stoffe sowie mikrobiologische Kriterien einhalten. 

Ausgangsprodukt für andere Getränke
Tafelwasser darf in Fertigpackungen abgefüllt und vertrieben werden und, die Abgabe aus Zapfanlagen an den Verbraucher ist ebenfalls zulässig. Sofern mehr als 570 Milligramm Natriumhydrogencarbonat pro Liter und Kohlensäure enthalten sind, darf Tafelwasser auch als Sodawasser bezeichnet werden. Als pures Getränk wird es hierzulande wesentlich weniger getrunken, als die Natürlichen Mineralwässer. Dagegen dient es in der Getränkeindustrie häufig als Grundlage für die Produktion von Softdrinks, Säften und anderen Getränkemischungen.

Aufbereitung von Tafelwasser
Ausgangsprodukte für Tafelwasser sind in der Regel Trinkwasser oder Mineralwasser beziehungsweise ein Mix aus beiden Wassertypen. Damit ein charakteristisches Getränk mit gleichbleibendem Geschmack entsteht, wird dieser Wassermix entsprechend aufbereitet. Häufig werden die Wasser dabei zunächst demineralisiert und dann wieder mit einer speziellen Menge von Mineralstoffen und eventuell Kohlensäure versetzt.

Jedes Ausgangswasser bringt eine andere Zusammensetzung mit und jeder Getränkehersteller benötigt ein anders zusammengesetztes Wasser. Besonders Lizenzgeber für die Herstellung von Softdrinks geben oft eine bestimmte Qualität des Wassers vor. Deshalb stehen für die Wasseraufbereitung verschiedene Verfahren und Techniken zur Auswahl, die den speziellen Ansprüchen des Getränkeproduzenten angepasst werden können.