Kategorie:Dichteanomalie des Wassers

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Untersuchtes Phänomen

Warum schwimmen Eiswürfel/Eisberge/Eisschollen auf dem Wasser?

Naturwissenschaftliche Erklärung des Themas

Die Vielzahl und Stärke der Wasserstoffbrückenbindungen sorgen beim Eis (Wasser im festen Aggregatzustand) dafür, dass jedes Sauerstoffatom tetraedrisch von genau vier Wasserstoffatomen umgeben ist. Diese Anordnung führt im Eiskristall zu relativ großen Hohlräumen zwischen den Molekülen. Durch diese Anordnung benötigt die Struktur im festen Zustand mehr Platz als die Struktur bei gegeneinander beweglichen Molekülen (im flüssigen Zustand). Die Strukturbildung ist ein fortschreitender Vorgang, das heißt, dass schon im flüssigen Zustand so genannte Cluster aus Wassermolekülen vorhanden sind. Bei 3,98 °C ist der Zustand erreicht, bei dem die einzelnen Cluster das geringste Volumen einnehmen und damit die größte Dichte haben. Wenn die Temperatur weiter sinkt, wird durch einen stetigen Wandel der Kristallstrukturen mehr Volumen benötigt. Wenn die Temperatur steigt, benötigen die Moleküle wieder mehr Bewegungsfreiraum und das Volumen steigt ebenfalls. Deshalb hat Eis eine geringere Dichte (Masse/Volumen) als flüssiges Wasser. Beim Schmelzen wird die starre Struktur aufgelöst, die einzelnen Wassermoleküle sind im Mittel näher zusammen und die Dichte steigt. Wasser besitzt bei exakt 3,98 °C die höchste Dichte mit 999,975 kg/m³. Bei sinkenden Temperaturen nimmt die Dichte kontinuierlich, beim Phasenübergang fest-flüssig sogar sprunghaft ab.

Vorschläge für Experimente

Zur Visualisierung der Dichteanomalie von Wasser kann beispielsweise die Erkundung eines zugefrorenen Sees durchgeführt werden. Alternativ: Eiswürfel in einem Wasserglas.

Fragenkatalog zur Dichteanomalie

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