Was ist die Farbe von Wasser?
Danke an Alan Babu für die Anfrage.
Das ist nicht ganz so einfach fundiert zu beantworten. Zuerst müssen wir klären, was Farbe überhaupt ist.
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Was ist Farbe?
Farbe ist letztendlich Licht, oder genauer gesagt, das gezielte Fehlen von Licht.
Licht ist bekannterweise sowohl Wellen als auch Partikel gleichzeitig. Aber für diese Diskussion bleiben wir bei den Wellen.
Reines, vollständiges Licht ist per Definition weiß. Dieses „Weiß“ besteht aus dem gesamten Farbspektrum bzw. der Farbskala. Auf dieser Skala gibt es eine Art „Temperatur“, das heißt, wieviel Energie bzw. welche Wellenlänge das Licht hat. In einem bestimmten Bereich der Wellenlängen ist diese Form von Strahlung sichtbar für das menschliche Auge. Deshalb nennen wir es „sichtbares Licht“. Diese „Temperatur“ wird gemessen in Hertz (Hz) und bezieht sich auf die Wellenlänge der Strahlung — also wie weit auseinander die Höhen und Tiefen der Wellen liegen.
Es gibt aber auch unsichtbares Licht. Infrarot, UV, Radiowellen, Röntgenstrahlen: Das sind alle Formen des Lichts, die wir nicht ohne Geräte wahrnehmen können. Infrarot ist sozusagen „roter als rot“ und UV (Ultraviolett) ist sozusagen „violetter als violett“, weil sie knapp außerhalb unserer Wahrnehmung liegen.
Es ist ein bisschen wie ein altes analoges Radio. Ein UKW-Radio kann nur Radiowellen bzw. Licht zwischen 87,5 und 108,0 MHz „sehen“. Unsere Augen sehen nur Licht zwischen 430 und 770 THz. Aber in beiden Fällen gibt es riesige Bereiche im Spektrum außerhalb der Wahrnehmung.
Das heißt, im reinen weißen Licht sind alle Wellenlängen gleichermaßen vertreten.
Farbspektrum. Oben alle Strahlung, unten vergrößert nur der sichtbare Bereich. Quelle: Surfertoday.com
Wie entsteht Farbe?
Farbe entsteht auf zwei Wegen: reflektiv (also gespiegelt) oder aktiv (von einer Lichtquelle).
Der Mond spiegelt Licht und ist reflektiv; die Sonne erzeugt Licht und ist aktiv.
Jedes Element absorbiert Licht. Also auch wenn die Lichtquelle rein weiß „sendet“, wird das Licht gefiltert durch das, was zwischen Auge und Lichtquelle ist. Manche Substanzen absorbieren viel, andere wenig — aber es wird immer was zurück behalten und/oder gespiegelt.
Bei Spiegelung absorbiert die Oberfläche, je nach Zusammensetzung, gezielt Wellenlängen von Licht aus. „Rote“ Malfarbe spiegelt also alle Farben außer Rot zurück. Unsere Wahrnehmung des gespiegelten Lichts kann wieder durch Luft, Fenster, Wasser usw. gefiltert werden, um die Farbe wieder zu ändern. So kann das gemalte Rot in einem anderen Licht erscheinen, wenn die Lichtquelle nicht rein weiß ist, oder wenn die Luft irgendwelche ungewöhnliche Gasmischungen hat, oder wenn man das Rot durch eine Fensterscheibe anguckt. Das hat alles Auswirkungen auf die Wahrnehmung der Farbe.
Also sogar Luft hat eine „Farbe“. Die Luft nimmt aber so wenig Licht wie ein schwacher Filter weg, dass wir das auf normalen Entfernungen gar nicht wahrnehmen können. Es sei denn, wir schauen nach oben — da sehen wir, dass die Luft blau ist.
Aber hier kommt der kontraintuitive Teil. Das Licht wirkt blau. Aber weil der viele Sauerstoff in der Atmosphäre ganz gezielt nur blaue Wellenlängen absorbiert oder streut, sehen wir eigentlich nicht blau, sondern alles andere als blau zusammen. Aber wir nehmen das einfach als „blau“ wahr.
Mit einem Spektrometer sieht man es wunderbar. Der ganze Spektrum ist vertreten, aber nur blau nicht. So können wir feststellen, welche Elemente in der Luft sind.
(Bevor mir die Physiker in den Nacken springen, ja, das ist stark vereinfacht.)
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Jetzt ab ins Wasser
Das selbe Prinzip gilt für Wasser. Auch hier, der Sauerstoff im Wasser (chemische Zusammensetzung zwei Atome Wasserstoff H und ein Atom Sauerstoff O) absorbiert oder streut gezielt blaues Licht, aber nun deutlich mehr als Luft, zum größten Teil weil die Moleküle des Wassers viel dichter zusammen sind als die in der Luft. (Kocht man das Wasser zu Dampf, breiten sich die Moleküle drastisch aus und der Dampf ist keine Flüssigkeit mehr, sondern ein Gas wie die Luft.)
Das heißt, kleine Mengen Wasser — sogar destilliertes reines
H
2
O
— wirken klar und farblos, weil unsere Augen die minimale Streuung des blauen Lichts nicht differenziert wahrnehmen können. Aber je mehr Wasser, desto mehr Streuung — und desto deutlicher die blaue Farbe.
Das gilt genauso für andere „klare“ Substanzen wie Glas. Je dicker das Glas, desto mehr sieht man die Farbe (meistens grünlich).
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Aber warum spielt der Wasserstoff H keine große Rolle, obwohl es zwei Atome für jeden Sauerstoff-Atom gibt? Ganz einfach: Wasserstoff-Atome sind viel kleiner, letztendlich nur ein Proton, (normalerweise) ein Neutron und ein Elektron. Sauerstoff hat jeweils 8, also achtmal so viel Masse als Wasserstoff. (Darum ist es etwas ironisch, dass es „Wasserstoff“ heißt. Von der Masse her wäre Sauerstoff wichtiger.)
Aber auch wenn die Atome deutlich andere Masse haben, sind sie von der Größe her ähnlich — Wasserstoff 120 pm, Sauerstoff 152 pm. Der Sauerstoff-Atom ist also viel dichter gepackt und schwerer.
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TL;DR
Reines Wasser ist blau.