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Die Anomalie des Wassers

Fast jeder Stoff schrumpft beim Erstarren — Wasser dehnt sich aus, und deshalb frieren Seen von oben zu statt von unten.

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Dichte mit Maximum

Fast alle Stoffe ziehen sich beim Abkühlen zusammen und sind als Feststoff am dichtesten. Wasser verhält sich nur oberhalb von 4 °C so.

  • Über 4 °C:normal — beim Abkühlen wird Wasser dichter.
  • Bei 4 °C:größte Dichte, \(\rho \approx 1{,}000\ \mathrm{g/cm^3}\) (genau bei 3,98 °C).
  • 0 bis 4 °C:beim weiteren Abkühlen dehnt sich Wasser wieder aus.
  • Erstarren:Eis hat nur \(\rho \approx 0{,}917\ \mathrm{g/cm^3}\) — es schwimmt auf Wasser.
  • Anomalie:so heißt dieses vom Normalfall abweichende Verhalten.

Senke mit dem Regler oder „Abkühlen“ die Temperatur an der Oberfläche eines Sees vom Herbst bis in den Winter. Beobachte den Punkt auf der Dichtekurve und die Schichtung im See.

Ein See kühlt ab

Halte fest: Weil Wasser von 4 °C am dichtesten ist, sammelt es sich im Winter am Grund; kälteres Wasser und Eis bleiben oben — Seen frieren von oben nach unten zu.

Merke

Anomalie des Wassers: Wasser hat bei 4 °C seine größte Dichte, und Eis ist leichter als flüssiges Wasser.

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Hohlräume im Eis

Die Ursache sind die Wasserstoffbrücken: Im Eis zwingen sie die Moleküle in ein weitmaschiges Gitter.

  • Eis:jedes Molekül mit genau vier Brücken — starres Gitter mit sechseckigen Hohlräumen.
  • Schmelzen:ein Teil der Brücken wird gelöst, Moleküle rücken in die Hohlräume — das Volumen sinkt.
  • 0 bis 4 °C:letzte gitterartige Bereiche zerfallen, die Dichte steigt weiter.
  • Über 4 °C:die stärkere Teilchenbewegung überwiegt, die Moleküle brauchen mehr Platz.
Teilchenbild: gleich große Ausschnitte
Eis (0 °C) flüssiges Wasser (4 °C)
Vereinfacht in einer Ebene: Im gleichen Ausschnitt haben im flüssigen Wasser mehr Moleküle Platz.

Herleitung:

\(V=\dfrac{m}{\rho}\)
m = 1000 g
Start: Beim Gefrieren bleibt die Masse gleich, nur die Dichte ändert sich.
\(V_\text{Wasser}=\dfrac{1000\ \mathrm{g}}{0{,}99984\ \mathrm{g/cm^3}}\approx 1000{,}2\ \mathrm{cm^3}\)
Eis einsetzen
Wasser bei 0 °C.
\(V_\text{Eis}=\dfrac{1000\ \mathrm{g}}{0{,}917\ \mathrm{g/cm^3}}\approx 1090{,}5\ \mathrm{cm^3}\)
vergleichen
Eis bei 0 °C.
\(\dfrac{1090{,}5}{1000{,}2}\approx 1{,}09\)
Ergebnis
Beim Gefrieren wächst das Volumen um etwa 9 %.
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Allgemeine Hinweise

Nicht Eis ist am dichtesten

Das Dichtemaximum liegt beim flüssigen Wasser von 4 °C. Eis von 0 °C ist dagegen der Zustand mit der kleinsten Dichte.

Volumen wächst, Masse nicht

1 kg Wasser bleibt beim Gefrieren 1 kg. Nur das Volumen nimmt um etwa 9 % zu — deshalb platzen volle Flaschen im Gefrierfach.

Neun Zehntel unter Wasser

Ein schwimmendes Eisstück taucht so weit ein, wie es das Dichteverhältnis vorgibt: \(0{,}917 : 1{,}000\) — rund neun Zehntel liegen unter der Oberfläche.

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