Dichteanomalie des Wassers bei 4°C

Bild von Klaus-Dieter Keller via Wikimedia Commons

Sagt Ihnen die Anomalie des Wassers etwas? Vermutlich weiß jeder dass Wasser in verschiedenen Formen vorkommen kann, nämlich fest, flüssig und gasförmig. Dies wird als Aggregatzustände bezeichnet. Die Frage die wir uns heute aber stellen wollen ist, warum Eis eine geringere Dichte hat als Wasser. Bei fast allen Stoffen besitzen sie in fester Form eine höhere Dichte, doch Wasser macht hier eben eine Ausnahme. Wasser hat nämlich bei 4°C seine höchste Dichte und nimmt damit dort das geringste Volumen ein. Dies wird als Anomalie des Wassers bezeichnet.

Wasser ist für uns alltäglich und lebensnotwendig, aber nach den genauen Eigenschaften fragen wir uns nur recht selten. Für viele Menschen ist es einfach nur wichtig, dass es aus dem Wasserhahn fliest und somit verwendet werden kann. In der Natur ist dies aber nicht so. Nur durch die Anomalie des Wassers ist es überhaupt möglich, dass Fische im Winter in Seen überleben können. Doch dazu später mehr. Erstmal müssen ein paar Grundlegende Eigenschaften von Wasser geklärt werden.

Wasser ist ein Dipol

Wasser ist kein einzelnes Atom, sondern ein Molekül und besteht aus zwei Wasserstoffatomen sowie einem Sauerstoff Atom. In der Physik oder Chemie wird daher Wasser auch oftmals mit H2O bezeichnet. Die beiden Wasserstoffe bilden mit dem Sauerstoff ein Molekül. Dadurch dass die beiden H-Atome, welche an das O-Atom gebunden sind, einen Winkel von ca. 105° bilden ist Wasser ein Dipol. So können sich nämlich Partialladungen ausbilden. Durch die Ladungsverschiebung sind die beiden Wasserstoffatome leicht positiv und das Sauerstoffatom leicht negativ geladen.

Anomalie des Wassers: Bildung von Wasserstoffbrücken

Bild von Thomas Splettstoesser via Wikimedia Commons

Die Wasserstoffbrücken

Dadurch dass das Wassermolekül ein Dipol ist, können jetzt die einzelnen Moleküle wieder miteinander wechselwirken. Die Moleküle üben nämlich Anziehungs- und Abstoßungskräfte aufeinander aus. Die partial positiv geladenen Wasserstoffe ziehen die negativen Sauerstoffe von anderen Molekülen an. Dadurch können sich die sogenannten Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden. Die Wasserstoffbrücken erreichen rund 10% der Stärke einer normalen chemischen Bindung. Auf dieser Dipoleigenschaft und somit der Wasserstoffbrückenbildung beruhen sehr viele physikalische und chemische Eigenschaften des Wassers, zum Beispiel eben der Anomalie.

Erklärung der Anomalie des Wassers

Wie eben erwähnt bilden sich zwischen den einzelnen Wassermolekülen Wasserstoffbrückenbindungen aus. Somit bilden die Moleküle immer kleine „Klumpen“. Je nachdem wie stark sich die Moleküle bewegen, können sich mehr oder weniger dieser Wasserstoffbrücken eingegangen werden. Je wärmer ein Stoff wird, desto mehr bewegen sich die Moleküle. Erhitzt man Wasser also nur hoch genug, sind die Moleküle irgendwann so schnell und alle Wasserstoffbrückenbindungen lösen sich. Hier ist der Siedepunkt erreicht und Wasser geht in seinen gasförmigen Zustand über.

Man würde nun erwarten, dass sich bei 0°C die meisten Wasserstoffbrücken ausbauen, dies ist aber nicht der Fall. Das Optimum ist bei 4°C erreicht. Daher besitzt dort auch Wasser seine größte Dichte. Unter diesen 4°C bewegen sich die Wassermoleküle so langsam, dass sich die gelösten Brücken nicht schnell genug wieder neu bilden können. Der Dichteunterschied zwischen 0°C und 4°C ist zwar relativ gering, aber dennoch gut messbar. Dies wird eben als Anomalie des Wassers bezeichnet, dass H20 bei 4°C seine höchste Dichte hat und nicht bei 0°C.

Anomalie des Wassers: See gefriert nicht zu

Bild von Klaus-Dieter Keller via Wikimedia Commons

Warum gefrieren Seen nicht komplett zu?

Wie man jetzt nun weiß, hat Wasser bei vier Grad Celcius seine höchste Dichte. Daher hat ein See in der Tiefe immer diese Temperatur. Wenn jetzt in den oberen Schichten im Winter das Wasser gefriert ist es unten immer noch flüssig. Dadurch können die ganzen Fische und Wasserorganismen im Winter überleben. Ohne die Anomalie des Wassers wäre dies nicht möglich.

 

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2 comments untill now

  1. [...] ist eine Flüssigkeit, die voller faszinierender Rätsel steckt. Die verschiedenen Anomalien des Wassers beschäftigen und faszinieren Forscher wie auch Laien nach wie vor. Eigentlich [...]

  2. lilalara @ 2013-09-17 15:24

    super hat mir bei meinen Hausaufgaben geholfen

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