MINT lernen

Übungen: Die Anomalie des Wassers

Zehn Übungen von der platzenden Flasche bis zum Felsen, der im Frost zerbricht.

Dein Fortschritt:
0 / 0 Aufgaben
1

Übungsaufgaben

Zehn interaktive Übungen zum Klicken, Ziehen und Knobeln — von AFB I bis AFB III. Jede Übung gibt dir sofort Rückmeldung; bei kniffligen Aufgaben helfen dir die gestuften Tipps.

A1
Dichte-Rangliste
AFB I

Ordne die Proben nach ihrer Dichte — die kleinste Dichte kommt nach oben.

Ziehe die Karten in die richtige Reihenfolge — mit der Tastatur: ↑/↓ verschiebt, Shift+↑/↓ wechselt nur den Fokus.
1Eis von 0 °C
2Wasser von 30 °C
3Wasser von 15 °C
4Wasser von 0 °C
5Wasser von 4 °C
Eis 0,917 g/cm³ < Wasser 30 °C 0,9957 g/cm³ < 15 °C 0,9991 g/cm³ < 0 °C 0,99984 g/cm³ < 4 °C 0,99997 g/cm³. Der Sprung zum Eis ist viel größer als alle Unterschiede im flüssigen Wasser.
A2
Stimmt das?
AFB I

Fünf Aussagen zur Anomalie des Wassers — entscheide jeweils.

5 Aussagen nacheinander. Eine falsche Einschätzung reicht — dann startest du die Serie mit „Neue Runde“ neu.
Aussage 1 von 5

Zwei Dinge sind besonders: das Dichtemaximum bei 4 °C und das leichtere Eis. Beides folgt aus den Wasserstoffbrücken.
A3
Normal oder anomal?
AFB I

Welche Beobachtung zeigt das übliche Verhalten von Stoffen, welche die Anomalie des Wassers?

Ziehe jede Karte in den passenden Korb — oder wähle sie mit Enter aus und drücke dann die Ziffer des Korbs (0 legt sie zurück).
1üblich für fast alle Stoffe
2Anomalie des Wassers
Übliches Verhalten: Ausdehnen beim Erwärmen, Schrumpfen beim Erstarren, der Feststoff sinkt. Anomal: Eis schwimmt, Wasser dehnt sich beim Gefrieren aus und zwischen 0 und 4 °C beim Abkühlen.
A4
Rechenkette: Die Flasche im Gefrierfach
AFB II

Eine 0,5-L-Glasflasche wird randvoll mit Wasser (ρ = 1,000 g/cm³) gefüllt und eingefroren. Eis hat die Dichte 0,917 g/cm³.

Rechne die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft.
  1. Masse des Wassers g
  2. Volumen des Eises, ganze Zahl cm³
  3. Volumenzunahme cm³
  4. Zunahme in Prozent, ganze Zahl %
m = ρ · V = 1,000 g/cm³ · 500 cm³ = 500 g. V(Eis) = 500 g : 0,917 g/cm³ ≈ 545 cm³. Das sind 45 cm³ mehr, also etwa 9 % — dafür ist in der Flasche kein Platz.
Ansatz: 0,5 L = 500 cm³. Die Masse bleibt beim Gefrieren gleich: V = m : ρ.
Rechenweg: 500 : 0,917 ≈ 545,3; 545 − 500 = 45; 45 : 500 = 0,09.
A5
Erklärung mit Wasserstoffbrücken
AFB II

Setze die fehlenden Begriffe ein. Zwei Wörter bleiben übrig.

Wort anklicken, dann Lücke anklicken (oder umgekehrt) — mit Tab und Enter geht es genauso. Ein Klick auf eine gefüllte Lücke legt das Wort zurück.

Im Eis ist jedes Wassermolekül über Wasserstoffbrücken mit seinen Nachbarn verbunden. Dabei entsteht ein regelmäßiges Gitter mit . Beim Schmelzen wird ein Teil der Brücken , und Moleküle rücken in die Lücken. Das Wasser wird dadurch . Oberhalb von 4 °C überwiegt die zunehmende , und die Dichte nimmt wieder ab.

Zwei Effekte wirken gegeneinander: Das Zusammenbrechen der Gitterreste macht Wasser dichter, die stärkere Teilchenbewegung macht es weniger dicht. Bei 4 °C halten sie sich die Waage.
Ansatz: Denke an das Teilchenbild: Eis ist ein Gitter, flüssiges Wasser ungeordnet.
Rechenweg: Jedes Molekül: zwei H-Atome und zwei freie Elektronenpaare → vier Brücken.
A6
Was erklärt die Anomalie?
AFB II

Welche Beobachtungen lassen sich mit der Anomalie des Wassers erklären?

Mehrere Antworten sind richtig. Markiere alle zutreffenden und klicke dann auf „Prüfen“.
Platzende Rohre, Schlaglöcher und schwimmende Eisberge gehen auf das größere Volumen des Eises zurück. Verdunsten, Gefrierpunkt von Salzwasser und Siedetemperatur bei niedrigem Luftdruck haben andere Ursachen.
Ansatz: Prüfe bei jeder Beobachtung: Spielt das Volumen beim Gefrieren oder die kleinere Dichte des Eises eine Rolle?
Rechenweg: Nur die ersten drei Beobachtungen hängen mit Eis und seiner Ausdehnung zusammen.
A7
Mix: Brücken in drei Zuständen
AFB II

Rückgriff auf 2.1.1: Verbinde jeden Zustand mit der passenden Beschreibung der Wasserstoffbrücken.

Klicke links einen Eintrag an und dann rechts den passenden — es entsteht eine Verbindungslinie. Mit der Tastatur: Enter zum Auswählen, ↑/↓ zum Wandern.
Vom Eis über das Wasser zum Dampf werden die Brücken immer weniger. Methanol hat nur ein H-Atom an O und zwei freie Paare — also höchstens drei Brücken.
Ansatz: Je höher die Temperatur, desto stärker bewegen sich die Teilchen und desto weniger Brücken halten.
Rechenweg: Brücken je Molekül = H an O + freie Elektronenpaare am O (höchstens).
A8
Trickaufgabe: Das randvolle Glas
AFB III

In einem randvoll gefüllten Glas Wasser schwimmt ein Eiswürfel mit 20 cm³ Volumen. Wie viel Wasser in cm³ läuft über, wenn der Eiswürfel vollständig geschmolzen ist?

Überlege selbst und trage das Ergebnis ein — Enter prüft direkt.
Nichts! Der schwimmende Eiswürfel (m = 20 cm³ · 0,917 g/cm³ ≈ 18,3 g) verdrängt genau 18,3 g Wasser, also ≈ 18,3 cm³. Geschmolzen wird er zu 18,3 g Wasser mit ≈ 18,3 cm³ — er füllt exakt das Loch, das er vorher ins Wasser gedrückt hat.
Ansatz: Ein schwimmender Körper verdrängt so viel Wasser, wie er selbst wiegt.
Rechenweg: Masse des Eises berechnen; als Schmelzwasser hat es dasselbe Volumen wie das verdrängte Wasser.
A9
Frostsprengung im Gebirge
AFB III

Im Hochgebirge zerfallen Felsen mit der Zeit zu Geröll. Spiele durch, welche Rolle Wasser dabei spielt.

Spiele den Ablauf Schritt für Schritt durch: Was passiert als Nächstes? Nur die richtige Karte bringt dich weiter.
    Frostsprengung ist die Anomalie im Großformat: Gefrierendes Wasser kann Drücke aufbauen, denen selbst Granit nicht standhält.
    Ansatz: Was passiert mit dem Volumen beim Gefrieren? Wo gefriert Wasser in einer Spalte zuerst?
    Rechenweg: Ausdehnung + eingeschlossenes Wasser + viele Frost-Tau-Wechsel = Sprengung.
    A10
    Wie ändert sich das Volumen?
    AFB III

    1 L Wasser bzw. Eis wird verändert. Schätze für jede Zeile ein, was mit dem Volumen passiert.

    Wähle für jede Zeile eine Stufe: 1 = nimmt deutlich ab, 2 = nimmt leicht ab, 3 = bleibt gleich, 4 = nimmt leicht zu, 5 = nimmt deutlich zu. Mit der Tastatur: Tab zur Zeile, ←/→ zwischen den Stufen, Enter setzt.
    1 = nimmt deutlich ab5 = nimmt deutlich zu
    Wasser wird von 20 °C auf 4 °C abgekühlt.
    Wasser wird von 4 °C auf 0 °C abgekühlt.
    Wasser von 0 °C gefriert zu Eis von 0 °C.
    Wasser wird von 4 °C auf 10 °C erwärmt.
    Eis von 0 °C schmilzt zu Wasser von 0 °C.
    Im flüssigen Bereich ändert sich das Volumen nur um Promille — „leicht“. Beim Gefrieren und Schmelzen springt es um etwa 9 % — „deutlich“. Zwischen 0 und 4 °C verhält sich Wasser umgekehrt wie sonst.
    Ansatz: Kleinste Dichte bedeutet größtes Volumen. Wo liegt das Dichtemaximum?
    Rechenweg: Über 4 °C: wärmer = größer. Unter 4 °C: kälter = größer. Phasenwechsel: 9 %.