Wasser für die Molekularbiologie

FAQs

Was ist Wasser?

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Wasser, mit der chemischen Formel H2O, ist eine chemische, anorganische, polare Substanz. Reines Wasser ist bei Zimmertemperatur eine klare, geschmacksneutrale, geruchlose, fast farblose Flüssigkeit (abgesehen von einem Blauton, der in kleinen Mengen nicht auffällt). Seine chemische Formel H2O besagt, dass jedes seiner Moleküle ein Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatome enthält, die durch kovalente Bindungen verbunden sind. Der Name "Wasser" ist auch die Bezeichnung für den flüssigen Zustand von H2O (zwischen 0°C und 100°C) bei Standardtemperatur und -druck. Wasser ist eine der wenigen Substanzen auf der Erde, die in der Natur in allen drei Aggregatzuständen vorkommt: fest (Eis), flüssig ("Wasser") und gasförmig (Wasserdampf). Es ist der Hauptbestandteil der terrestrischen Hydrosphäre und der Flüssigkeiten aller bekannten lebenden Organismen. Wasser ist für alle Lebewesen lebensnotwendig, auch wenn es als solches keine Nahrung, Energie oder organische Mikronährstoffe liefert.
Wasser wird in Laboratorien aller Art, in industriellen Prozessen, im Haushalt, in der Landwirtschaft, als Energiequelle, in der Schifffahrt und im Verkehr usw. verwendet. Neben seiner Verwendung als Getränk und für die Hygiene ist es ein hervorragendes Lösungsmittel für eine Vielzahl von mineralischen und organischen Stoffen. Wasser, Eis und Dampf werden auch zum Kühlen und Heizen verwendet.

Was ist Wasser als Lösungsmittel?
Die Moleküle eines jeden Lösungsmittels üben ihre Wirkung aus, indem sie mit den Molekülen des gelösten Stoffes interagieren, um ein homogenes Gemisch (Lösung) zu bilden. Polare Stoffe werden von polaren Lösungsmitteln, wie z. B. Wasser, durch elektrostatische Wechselwirkungen zwischen den Dipolen aufgelöst. Das hohe Dipolmoment des Wassers und seine Fähigkeit, untereinander und mit anderen Molekülen "Wasserstoffbrücken" zu bilden, machen Wasser zu einem hervorragenden Lösungsmittel. Wasser löst fast alle Stoffe mit Ausnahme der "hydrophoben" Stoffe (Fette und Öle) auf. Es ist insbesondere ein ausgezeichnetes Lösungsmittel für polare und ionische gelöste Stoffe, die eine hohe Affinität zu Wasser haben: Salze, Zucker, Säuren, Laugen und einige Gase (wie Sauerstoff oder Kohlendioxid). Diese Fähigkeit, die meisten Stoffe zu lösen, macht Wasser zu einem universellen Lösungsmittel.

Welche Eigenschaften machen Wasser zu einem guten Lösungsmittel?
Wasser ist ein anorganisches, polares und protisches Lösungsmittel. Das heißt, es enthält keinen Kohlenstoff (es ist anorganisch); das Molekül hat einen positiven und einen negativen Pol, die durch einen bestimmten Abstand voneinander getrennt sind, es gibt einen permanenten Dipol (es ist polar); das Molekül gibt gerne Protonen an gelöste Stoffe ab (es ist protisch). Es ist das wichtigste Lösungsmittel, unentbehrlich für die Lebewesen und die Flüssigkeit, die die meisten Stoffe auflöst. Wasser (H2O) hat eine einfache Molekularstruktur, die ein Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatome enthält. Jedes Wasserstoffatom ist über eine kovalente Bindung an den Sauerstoff gebunden. Das Sauerstoffatom ist stark elektronegativ, d. h. es zieht die gemeinsamen Elektronen der kovalenten Bindung viel stärker an als der Wasserstoff, was zu einem Überschuss an negativer Ladung auf der Sauerstoffseite und positiver Ladung auf der Wasserstoffseite führt. Die asymmetrische Elektronendichteverteilung erzeugt ein elektrisches Dipolmoment, und Wassermoleküle können starke elektrostatische Wechselwirkungen mit anderen polaren Molekülen oder geladenen Atomen eingehen. Das hohe Dipolmoment des Wassers und seine Fähigkeit, untereinander und mit anderen Molekülen "Wasserstoffbrücken" zu bilden, machen Wasser zu einem hervorragenden Lösungsmittel. Wasserstoffatome sind nicht nur kovalent an ihre Sauerstoffatome gebunden, sondern werden auch von anderen Sauerstoffatomen in der Nähe angezogen. Ein Molekül oder Ion ist in Wasser löslich, wenn es mit Wassermolekülen durch Wasserstoffbrückenbindungen (auch Wasserstoffbrückenbindungen genannt) oder Ion-Dipol-Wechselwirkungen wechselwirken kann. Seine Überlegenheit als Lösungsmittel für ionische Stoffe verdankt das Wasser nicht nur seiner Polarität und seiner hohen Dielektrizitätskonstante, sondern auch seiner Solvatisierungskraft (Fähigkeit, starke Bindungen mit gelösten Ionen einzugehen).

Was ist eine wasserstoffbrückenbildende Bindung?
Die Wasserstoffbindung oder Wasserstoffbrückenbindung ist eine besondere Form der starken Dipol-Dipol-Wechselwirkung. Bei dieser Art von Bindung ist der Wasserstoff, der an ein elektronegatives Atom (Sauerstoff im Falle von Wasser) gebunden ist, stark elektropositiv. Dieser Wasserstoff kann sich leicht mit dem negativen Ende eines polaren Moleküls oder mit Molekülen mit einem einsamen Elektronenpaar verbinden. Wasserstoffbrückenbindungen entstehen also zwischen Molekülen desselben Stoffes, zwischen Molekülen verschiedener Stoffe oder zwischen zwei Atomen desselben Moleküls. Die Wechselwirkung eines gelösten Stoffes mit einem Lösungsmittel führt zur Stabilisierung (Auflösung) der gelösten Spezies in Lösung. Das hohe Dipolmoment des Wassers und seine Fähigkeit, untereinander und mit anderen Molekülen Wasserstoffbrücken zu bilden, machen Wasser zu einem hervorragenden Lösungsmittel.

Welche Stoffe können sich nicht in Wasser auflösen?
Stoffe, die dazu neigen, mit Wasser zu interagieren oder sich in ihm aufzulösen, werden als hydrophil eingestuft. Eine hydrophile Substanz ist polar und enthält in der Regel O-H- oder N-H-Gruppen, die Wasserstoffbrückenbindungen mit Wasser eingehen können. Glukose zum Beispiel ist mit ihren fünf O-H-Gruppen hydrophil. Umgekehrt ist eine hydrophobe Substanz, d. h. eine Substanz, die Wasser abstößt, tendenziell unpolar und bevorzugt daher andere neutrale Moleküle und unpolare Lösungsmittel. Da Wassermoleküle polar sind, lösen sich hydrophobe Stoffe nicht gut in Wasser auf. Beispiele für hydrophobe Moleküle sind Alkane, Öle, Fette und Fettstoffe im Allgemeinen. Der Begriff hydrophob wird oft austauschbar mit lipophil verwendet, d. h. ein Stoff, der eine Affinität zu Lipiden oder Fetten hat. Die beiden Begriffe sind jedoch nicht gleichbedeutend. Obwohl hydrophobe Stoffe in der Regel lipophil sind, gibt es Ausnahmen, wie Silikone und Fluorkohlenwasserstoffe. Die meisten Metallsulfide, -oxide, -carbonate, -chromate, -phosphate und -hydroxide sind nicht wasserlöslich, da sich ihre Moleküle nicht ohne weiteres mit Wassermolekülen verbinden. Salze von Silber, Quecksilber und Blei mit Chloriden, Jodiden und Bromiden sind ebenfalls unlöslich, wobei es einige Ausnahmen geben kann. Einige Sulfatsalze, wie Bariumsulfat, Strontiumsulfat und Bleisulfat, sind nicht wasserlöslich. Außerdem sind Calciumsulfat, Silbersulfat und Quecksilbersulfat in Wasser nur schwer löslich.

Hat Wasser eine CAS-Nummer?

Ja.
Ja, wie jede andere Chemikalie hat auch Wasser eine CAS-Nummer, die ihm zugeordnet ist. Sie lautet 7732-18-5.

Was ist die molare Masse von Wasser?

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Die molare Masse von Wasser beträgt 18,0153 Gramm pro Mol.

Was ist der Schmelzpunkt von Wasser?

Was ist der Schmelzpunkt von Wasser?
Der Schmelzpunkt von Wasser ist die Temperatur, bei der es von festem Eis in flüssiges Wasser übergeht. Die feste und die flüssige Phase des Wassers befinden sich bei dieser Temperatur im Gleichgewicht. Der Schmelzpunkt ist leicht druckabhängig, so dass es keine einzige Temperatur gibt, die als Schmelzpunkt von Wasser angesehen werden kann. In der Praxis liegt der Schmelzpunkt von reinem Wassereis bei einem Druck von 1 Atmosphäre jedoch sehr nahe bei 0 °C, d. h. bei 273,15 K oder 32 °F. Der Schmelzpunkt und der Gefrierpunkt von Wasser sind im Idealfall gleich, vor allem, wenn sich Gasblasen im Wasser befinden. Wenn das Wasser jedoch keine Keimbildungspunkte aufweist, kann das Wasser bis auf -42 °C (-43,6 °F, 231 K) unterkühlen, bevor es gefriert. So liegt der Schmelzpunkt von Wasser in manchen Fällen deutlich höher als sein Gefrierpunkt.

Wie hoch ist der Siedepunkt von Wasser?

Wie hoch ist der Siedepunkt von Wasser?
Der Siedepunkt von Wasser liegt bei 100 °C oder 212 °F bei einem Druck von 1 Atmosphäre (Meereshöhe). Dieser Wert ist jedoch nicht konstant. Der Siedepunkt von Wasser hängt vom atmosphärischen Druck ab, der sich mit der Höhe ändert. Wasser kocht bei einer niedrigeren Temperatur, wenn es an Höhe gewinnt (z. B. beim Besteigen eines Berges), und es kocht bei einer höheren Temperatur, wenn der atmosphärische Druck steigt (auf Meereshöhe oder darunter). Der Siedepunkt von Wasser hängt auch von seiner Reinheit ab. Wasser mit Verunreinigungen (z. B. Salzwasser) siedet bei einer höheren Temperatur als reines Wasser. Dieses Phänomen wird als Siedepunkterhöhung bezeichnet, die zu den kolligativen Eigenschaften der Materie gehört.

Was ist die Dichte von Wasser?

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Die maximale Dichte von Wasser beträgt 1,00000 Gramm pro Kubikzentimeter (g/cm3) bei 3,98 °C. Die Dichte bei 25 °C beträgt 0,99705 g/cm3.

Was ist das Dipolmoment von Wasser?

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Das Dipolmoment von Wasser beträgt 1,85 D.

Wie hoch ist die Dielektrizitätskonstante von Wasser?
Die Dielektrizitätskonstante oder relative Permittivität von Wasser beträgt 78,5.

Wie lautet die Dissoziationskonstante von Wasser?
Aufgrund der hohen Polarität der Wassermoleküle werden zwischen ihnen Wasserstoffbrückenbindungen gebildet, was zur Folge hat, dass ein Wassermolekül ein Proton an ein benachbartes Molekül abgeben kann, was dazu führt, dass das Molekül, das sein Proton abgibt, eine negative Nettoladung und das Wassermolekül, das es aufnimmt, eine positive Ladung aufweist. Dies zeigt an, dass Wasser ionisiert ist, da es nach der Theorie von Brønsted und Lowry als Säure Protonen (H+), auch Wasserstoffionen genannt, abgibt und als Base diese aufnimmt. So kann Wasser in zwei ionischen Spezies vorkommen: Hydronium (H3O+), ein Wassermolekül, das ein Proton aufnimmt und als Säure fungiert, und Hydroxyl OH-, die Spezies, die übrig bleibt, wenn das Wassermolekül sein Proton abgibt, und die als Base fungiert, da sie Protonen aufnehmen kann. Das Hydronium-Ion (H3O+ ) wird vereinfacht als H+ (Wasserstoff-Ion oder Proton) bezeichnet. Die Dissoziation von Wasser ist eine Gleichgewichtsreaktion. Dies bedeutet, dass die Geschwindigkeit der direkten Reaktion gleich der Geschwindigkeit der umgekehrten Reaktion ist und dass sich die Konzentration der Reaktanten und Produkte im Gleichgewicht nicht ändert. Wenn sich reines flüssiges Wasser bei 25 °C im Gleichgewicht mit Wasserstoff- und Hydroxidionen befindet, ist die molare Konzentration von OH-, dargestellt als [OH-], gleich der molaren Konzentration von H3O+ in reinem Wasser, d. h. [H3O+] = [OH-] = 10-7 M, wobei M in Mol/Liter angegeben ist, oder anders ausgedrückt: [H+] = [OH-] = 1,0 × 10-7 mol/L. Die Dissoziationskonstante von Wasser wird mit Kw = [H+] [OH-] = 1,0 - 10-14 angegeben. Eine Lösung, in der die Konzentrationen von H+ und OH- gleich sind, gilt als neutrale Lösung (pH = 7). Völlig reines Wasser ist neutral, obwohl schon geringe Mengen an Verunreinigungen diese Ionenkonzentrationen beeinflussen können und das Wasser dann nicht mehr neutral ist. Kw ist druck- und temperaturabhängig und nimmt mit steigender Temperatur zu.

Wozu wird Wasser im Labor verwendet?

Wozu wird Wasser verwendet?
Das in den Labors verwendete Wasser, das fälschlicherweise als "destilliertes" Wasser bezeichnet wird, ist in Wirklichkeit "gereinigtes" Wasser, bei dem verschiedene organische und anorganische Verunreinigungen mehr oder weniger stark entfernt wurden. Wasser ist das wichtigste Reagenz im Labor und kommt in den meisten Prozessen und Lösungen vor, die im Labor verwendet werden. Die Reinheit und Qualität des für Analysezwecke verwendeten Wassers hat einen großen Einfluss auf die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Analyseergebnisse. Um Wasser in der gewünschten Qualität zu erhalten, werden verschiedene Verfahren wie Destillation, Ultrafiltration, Umkehrosmose, Entionisierung usw. sowie Kombinationen dieser Techniken eingesetzt, um gewöhnliches Wasser in ein Laborreagenz zu verwandeln. Wasser in Laboratorien in der richtigen Qualität zu haben, erfordert eine fortschrittliche Reinigungstechnologie und eine strenge Kontrolle der Verunreinigungen und Parameter, die jede Bestimmung beeinflussen können. Hochempfindliche Analysen sind in hohem Maße von einer hohen Wasserreinheit abhängig. Verschiedene Normungsgremien wie ISO (International Organization for Standardization), ACS (American Chemical Society), ASTM (American Society for Testing and Materials), Standard Methods for Analysis of Water and Wastewaters usw. legen Spezifikationen für Wasser fest, das in analytischen Laboratorien verwendet wird, z. B. in ISO 3696 (Wasser zur Verwendung in Laboranalysen) oder ASTM D1193 (Standardspezifikation für Wasser als Reagenz). Auch in Pharmakopöen wie dem Europäischen Arzneibuch (EP oder Ph. Eur.) und dem USP (US Pharmacopoeia) werden Reinheitskriterien für verschiedene Arten von Wasser zur pharmazeutischen Verwendung festgelegt.

Welche Anwendungen gibt es für Wasser im Labor?
Wasser ist das wichtigste Reagenz im Labor und kommt in den meisten Prozessen und Lösungen vor, die in einem Labor verwendet werden. Aufgrund seiner vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten ist es von entscheidender Bedeutung, Wasser von geeigneter Qualität zu wählen, um qualitativ hochwertige, zuverlässige und genaue Ergebnisse zu erzielen. Je nach Art der Analyse, der verwendeten Technik oder der Anwendung gibt es unterschiedliche Reinheits- und Qualitätsstufen des Wassers. Einige der Anwendungen reichen vom Waschen von Materialien und Geräten, der Probenvorbereitung, Verdünnungen, Standards, volumetrischen Lösungen, Pufferlösungen, Kulturmedien, Eluenten, der Reagenzienvorbereitung im Allgemeinen bis hin zum Einsatz hochempfindlicher Techniken wie der ICP-MS (induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie), ICP-OES (optische Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma), Atomabsorptionsspektrometrie (AA), UV/VIS-Spektrophotometrie, chromatographische Techniken wie HPLC (Hochleistungsflüssigkeitschromatographie), UHPLC (Ultrahochleistungsflüssigkeitschromatographie), LC-MS (Flüssigkeitschromatographie/Massenspektrometrie), GC-MS (Gaschromatographie/Massenspektrometrie). Die Chromatographie ist derzeit die wichtigste Methode für die Trennung von Gemischen eng verwandter chemischer Stoffe. Es kann zur qualitativen Identifizierung und quantitativen Bestimmung der getrennten Arten verwendet werden. Die verschiedenen chromatographischen Techniken spielen unter anderem im Umweltschutz eine wichtige Rolle bei der Analyse und Kontrolle von Schadstoffen in Trinkwasser, Abwasser, Boden, Klärschlamm, Luftproben usw. Einige dieser Schadstoffe sind polyaromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), flüchtige organische Verbindungen (VOC), persistente organische Verbindungen (POP), polychlorierte Biphenyle oder polychlorierte Biphenyle (PCB), Dioxine, Furane, Pestizide im Allgemeinen (Insektizide, Herbizide, Fungizide usw.), Organochlor- und Organophosphatpestizide, Nitrite, Amine, Phenole usw. Es wird auch für Anwendungen in der Molekularbiologie, Elektrochemie, Elektrophorese, Gewebekultur usw. verwendet.

Was sind die verschiedenen Reinheitsgrade und Qualitäten von Wasser als Laborreagenz?

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Die Wahl der richtigen Wasserqualität ist für jedes Labor von entscheidender Bedeutung, um qualitativ hochwertige, zuverlässige und genaue Analyseergebnisse zu erhalten. Je nach Art der Analyse, der verwendeten Technik oder der Anwendung gibt es verschiedene spezifische Reinheits- und Qualitätsstufen des Wassers:
- Für Genomik- und Molekularbiologielabors, für PCR-Analysen --> Wasser, für PCR, DNA-frei, für Molekularbiologie, geeignet für qPCR.
- Für biochemische Forschungslabors, z. B. zur Herstellung von Antibiotika-Lösungen --> Doppelt destilliertes Wasser, steril.
- Für allgemeine analytische Anwendungen, die einen hohen Reinheitsgrad und einen sehr geringen Gehalt an Verunreinigungen erfordern --> Analysewasser, ACS (entspricht den Spezifikationen der American Chemical Society).
- Für das Waschen von Material, Dampferzeuger --> Technisches Wasser.
- Für die Herstellung von oralen Arzneimitteln, die Reinigung von Geräten oder die Herstellung von kosmetischen Produkten --> Gereinigtes Wasser (BP, Ph. Eur.), rein, pharmazeutische Qualität.
- Für instrumentelle analytische Techniken:
Supergradient UHPLC-Wasser --> Geeignet für den Einsatz in UHPLC-Geräten. Diese Technik bietet eine schnellere Analyse als HPLC, eine bessere Empfindlichkeit und eine höhere Auflösung. Erforderlich sind Lösungsmittel mit hoher Transparenz bei niedrigen Wellenlängen und maximaler Basislinienstabilität. Bei höheren Drücken muss der feste Lösungsmittelrückstand minimiert werden, um ein Blockieren der Gerätepumpe zu verhindern.
Wasser für UV, HPLC, ACS --> Zur Verwendung als Mehrzwecklösungsmittel für HPLC und UV-Vis/IR-Spektroskopie. Die HPLC ist eine Methode, die in fast allen Bereichen der Chemie, Biochemie und Pharmazie eingesetzt wird. Ein Beispiel: In der pharmazeutischen Produktentwicklung wird die HPLC-Analyse zur Überprüfung der Produktreinheit in den verschiedenen Phasen des Prozesses, zur Analyse von Umweltschadstoffen, zur Bestimmung von Arzneimitteln in biologischen Proben, zur Qualitätskontrolle von industriellen und feinchemischen Produkten usw. eingesetzt.
Wasser für die Spurenmetallanalyse (ppt) --> Speziell durch Mehrfachdestillation gereinigt, ist es für die Spurenmetallanalyse mittels ICP-MS geeignet. Diese Technik wird verwendet, wenn eine sehr niedrige Nachweisgrenze von etwa 0,001 μg/L (1 ppt) bis 0,01 μg/L (10 ppt) erforderlich ist. Es wird für die Qualitätskontrolle in der Umwelt, in pharmazeutischen Laboratorien, bei der Herstellung von Reagenzien, in Forschungslaboratorien, in Referenzlaboratorien für Schwermetalle in Lebens- und Futtermitteln, in Mineralienstudien usw. verwendet.
LC-MS-Wasser --> Zeichnet sich durch eine sehr niedrige Metallkonzentration (<100 ppb) und einen geringen Partikelgehalt aufgrund von Mikrofiltration (mit 0,2 μm Porenfilter) aus. Die LC-MS-Eignung wird so kontrolliert, dass kein Signal höher ist als der molekulare Peak von Reserpin (609 amu) bei einer Konzentration von 50 ppb, über einen Bereich von 200 bis 2000 amu. Es hat eine hohe UV-Durchlässigkeit und eine ausgezeichnete Basislinie während des HPLC-Gradiententests. Die LC-MS-Technik (Flüssigchromatographie-Massenspektrometrie) nutzt die Flüssigchromatographie als Trennsystem und die Massenspektrometrie als Nachweissystem und kombiniert so die Eigenschaften der hohen Trennleistung der Flüssigchromatographie mit der hohen Empfindlichkeit der Massenspektrometrie. Durch seine hohe Empfindlichkeit und Selektivität ist es ideal für die Identifizierung und Quantifizierung einer Vielzahl von Verbindungen in den komplexesten Matrices. Die LC-MS-Technik wird von immer mehr Forschungs- und Analyselabors in verschiedenen Bereichen der Industrie (Umwelt-, Pharma-, Biotechnologie-, Lebensmittelanalyselabors usw.) eingesetzt. Es ermöglicht den Nachweis von Nanogramm-Mengen einer Vielzahl von Analyten, z. B. von Arzneimittelmetaboliten in biologischen Flüssigkeiten, Pestiziden, Verfälschungen in Lebensmitteln und Nahrungsergänzungsmitteln, Extrakten von Naturprodukten usw. Es wird auch für die Analyse kleiner und großer Proteinmoleküle in verschiedenen Matrices, die Quantifizierung genotoxischer Verunreinigungen in pharmazeutischen Wirkstoffen, den Nachweis von Dopingmitteln (z. B. Anabolika), die Quantifizierung von Nukleotiden und ihren Derivaten in Bakterienzellen, die Quantifizierung von Proteomen, in Schnelltests zum Nachweis von SARS-CoV-2 usw. sowie für die quantitative Analyse von Molekülen in sehr geringen Konzentrationen (Stoffwechselwege, Hormone, Stoffwechsel, synthetische Verunreinigungen usw.) verwendet.