Wasser ist ein Dipol. Es besteht aus einem (stark elektronegativen) Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen. Der elektronegative Sauerstoff zieht das bindende Elektronenpaar (in Bezug zu den Wasserstoffatomen) an, deshalb ist die Atombindung polarisiert. An den Wasserstoffatomen herrscht ein Elektronenmangel und eine positive Teilladung. Am Sauerstoff herrscht eine negative Teilladung. Solche Moleküle (mit unterschiedlichen Polen) sind Dipole.
Durch Wasserstoffbrücken entsteht die Dichteanomalie
Wasserstoffbrücken sind Kräfte, die zwischen den Wassermolekülen entstehen. Negative Ladungen und positive Ladungen (auch Partialladungen wie im Wasser) ziehen sich gegenseitig an, Wasser besteht aus vielen Wassermolekülen und diese Moleküle richten sich aus: Der Pluspol (Wasserstoff) des einen Wassermoleküls und der Minuspol (Sauerstoff) des anderen Wassermoleküls ziehen sich an.
Der partielle Sauerstoff im Molekül zieht benachbarte Wasserstoffladungen an. Dies wird als gestrichelte Linie dargestellt und nennt sich Wasserstoffbrücke.
Schon haben wir eine Wasserstoffbrückenbindung zwischen den beiden Wassermolekülen. Diese Anziehungskräfte sind nicht sehr stabil, aber enorm wichtig.
Wasserstoffbrückenbindungen machen Wasser flüssig
Wasserstoffbrückenbindungen schützen Wasser davor, bei sehr niedrigen Temperaturen zu verdampfen. Wassermoleküle sind klein und leicht. Normalerweise liegen kleine, leichte Moleküle bei 25 Grad längst als Gas vor.
Wasser jedoch wird durch die Wasserstoffbrückenbindungen deutlich fester zusammengehalten als andere Moleküle. Bevor Wasser verdampft (in den gasförmigen Zustand übergeht) müssen diese Bindungen gebrochen werden. Das benötigt viel Energie, denn Wasser siedet erst bei hundert Grad Celsius.
Andererseits ist Wasser flüssig und nicht hart, weil die Wassermoleküle eben nur Teilladungen enthalten. Echte Ladungen (Ionen) sind sehr starke Kräfte. Salze z.B. werden durch Ionenbindungen zusammengehalten. Mit Ionenbindungen wäre Wasser fest und spröde, anstatt flüssig.
Das bedeutet….
Ohne Wasserstoffbrückenbindungen würde es bei uns auf der Erde kein Wasser geben.
Wasserstoffbrückenbindungen lassen Eis schwimmen
Eis schwimmt oben, weil es eine geringere Dichte hat als flüssiges Wasser.
Beim Gefrieren von Wasser passiert nämlich Folgendes: Die Wassermoleküle lagern sich zu einem Sechsring zusammen. Dieser wird – wie könnte es anders sein – durch Wasserstoffbrückenbindungen verbunden. In der Mitte des Sechsrings entsteht ein Freiraum. Diese Freiräume verursachen die geringere Dichte von Eis.
Diese Sechsecke sind der Grund warum wir im Winter so schöne symmetrische Eiskristalle sehen. Du findest in Schneeflocken überall die sechseckige Form wieder.
Was ist die Dichteanomalie des Wassers?
Wasser hat mit 4 Grad Celsius die höchste Dichte.
Warum?
Das liegt an der speziellen Struktur von Eis. Schmilzt Du das Eis, so beginnt das Gitter aus Sechsringen zuerst an einigen Stellen zu brechen. Das Eis zerfällt in überwiegend kleine, flächige Bruchstücke. Diese kleineren Stücke rücken näher zusammen. Sie brauchen weniger Platz als die Gitterstruktur im Eis. Das schmelzende Eiswasser hat eine größere Dichte als das Eis.
Bei 4 Grad Celsius hat Wasser seine höchste Dichte erreicht. Das ist die Dichte-Anomalie des Wassers. Erwärmst du das Wasser weiter, so zerfallen auch die flächigen Bruchstücke. Durch die Wärme steigt die Bewegung der Moleküle weiter an. Die Dichte des Wassers nimmt ab, das Wasser wird leichter.
Das heißt jetzt…
Da flüssiges Wasser eine größere Dichte als gefrorenes Eis hat, ist Wasser schwerer. Das Eis ist leichter und schwimmt deshalb oben. Am Grunde eines (tiefen) Gewässers ist das Wasser immer 4 Grad kalt. Denn bei dieser Temperatur hat Wasser seine höchste Dichte und ist somit am schwersten. Deshalb können z.B. Fische den Winter in einem zugefrorenen Gewässer überleben.
Wasser ist flüssig und aufgrund seiner Struktur ein perfektes Lösungsmittel. Für das Leben ist die wichtigste Aufgabe des Wassers wohl die Aufgabe als Transportmittel. Durch den Dipol ist es ein polares Lösungsmittel. Lebenswichtige Substanzen lösen sich in Wasser. Dadurch transportiert Wasser diese Substanzen in Pflanzen, Tieren und Menschen. Ohne Wasser kein Leben.
Als Dichteanomalie bezeichnet man das paradoxe Verhalten eines Stoffes sich bei Abkühlung plötzlich wieder auszudehnen (Abnahme der Dichte), anstelle sich weiter zusammenzuziehen.
- 1 Dichteanomalie von Wasser
- 2 Ursache der Dichteanomalie
- 3 Dichtesprung beim Erstarren
Dichteanomalie von Wasser
Wasser verhält sich beim Abkühlung aufgrund seiner besonderen molekularen Struktur anders als die meisten anderen Stoffe. Um dies zu verdeutlichen sind in der unteren Abbildung mehrere Reagenzgläser gezeigt, die jeweils identisch gefüllt sind. Nun wird das in den Gefäßen enthaltene Wasser mehr und mehr abgekühlt. Dabei zeigt sich zunächst das gewohnte Verhalten, dass sich das Wasser aufgrund der abnehmenden Wärmebewegung mehr und mehr zusammenzieht. Das Volumen des Wassers nimmt erwartungsgemäß ab bzw. die Dichte steigt. Beachte, dass sich Volumen und Dichte genau umgekehrt zueinander verhalten.
Unterhalb von 4 °C verhält sich Wasser jedoch anders als die meisten Flüssigkeiten. Das Volumen nimmt bei weiterer Abkühlung nun nicht wie gewohnt ab, sondern zu. Die Dichte sinkt in diesem Temperaturbereich entsprechend wieder ab. Dieses Phänomen bezeichnet man als Anomalie des Wassers oder allgemein als Dichteanomalie. Wasser besitzt folglich bei 4 °C (genauer: 3,98 °C) das geringste Volumen bzw. seine größte Dichte mit 0,99997 g/cm³! Eine solche Dichteanomalie zeigt allerdings nicht nur Wasser, sondern auch andere Stoffe wie bspw. Silizium oder Germanium.
Als Dichteanomalie bezeichnet man das paradoxe Verhalten eines Stoffes sich bei Abkühlung plötzlich wieder auszudehnen (Abnahme der Dichte), anstelle sich weiter zusammenzuziehen!
Die Dichteanomalie ist für das Leben auf der Erde entscheidend! Dies führt unter anderem nämlich dazu, dass ein See von oben zugefriert und nicht beginnend am Grund des See. Somit bleibt das Wasser unter der Eisschicht meist noch flüssig und erlaubt somit das Überleben der Fische im Winter.
Ursache der Dichteanomalie
Grund für die Dichteanomalie des Wassers sind sogenannte Cluster. Dies sind Ansammlungen von Wassermoleküle, die durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten werden. Solche Cluster können sich allerdings nur bei relativ niedrigen Temperaturen stabil bilden. Bei zu hohen Temperaturen ist die Wärmebewegung so stark, dass die Cluster aufgrund der nur schwach ausgeprägten Wasserstoffbrückenbindungen wieder entrissen werden. Umgekehrt nimmt mit sinkender Temperatur die Teilchenbewegung der einzelnen Wassermoleküle ab, sodass sich mehr Wasserteilchen an die Cluster anlagern können, ohne dass diese aufgrund zu hoher Bewegungsenergien sofort wieder weggerissen werden.
Die einzelnen Cluster werden mit sinkender Temperatur also immer größer und der Raumbedarf der Cluster nimmt entsprechend zu. Gleichzeitig rücken allerdings die einzelnen Cluster aufgrund des Effekts der Wärmeausdehnung mit sinkender Temperatur näher zusammen. Letzterer Effekt dominiert zunächst, sodass sich das Volumen des Wassers insgesamt betrachtet zusammenzieht.
Schließlich nimmt bei weiterer Absenkung der Temperatur das Volumen der Cluster überproportional zu und kompensiert allmählich den Effekt des thermischen Zusammenziehens der einzelnen Cluster. Bei 3,98 °C ist der Effekt der wachsenden Cluster genauso groß wie der Effekt des thermischen Zusammenziehens. In diesem Punkt besitzt das Wasser das geringste Volumen bzw. die größte Dichte. Bei weiterer Temperaturabsenkung unter 3,98 °C übersteigt der Effekt des vergrößerten Raumbedarfs der wachsenden Cluster den Effekt des thermischen Zusammenziehens und das Wasservolumen steigt wieder an.
Bei weiterer Abkühlung nahe dem Erstarrungspunkt werden die Cluster immer größer und größer und die Wasserstoffbrückenbindungen gegenüber der Wärmebewegung stabiler. Die Cluster weisen deshalb allmählich Kristallstrukturen von festem Eis auf. Diese sind jedoch noch nicht stabil und zerfallen bereits nach kurzer Zeit wieder (erst beim Gefrieren sind die Wasserstoffbrückenbindungen stabil). Grundsätzlich beträgt die Lebensdauer der einzelnen Cluster in diesem instabilen Zustand in der Regel nur wenige billionstel Sekunden. Während sich an einer Stelle solche Cluster also rasch wieder auflösen, sammeln sich dafür an anderer Stelle wieder Wassermoleküle zu einem neuen Cluster zusammen.
Dichtesprung beim Erstarren
Wird das Wasser weiter abgekühlt, dann erstarrt es schließlich 0 °C zu einer festen Struktur mit stabilen Wasserstoffbrückenbindungen. Bei diesem Phasenübergang bilden sich aufgrund der gewinkelten H2O-Moleküle sechseckige Strukturen. Inmitten dieser Strukturen ist sehr viel „leere“ Raum. Dies führt dazu, dass die Moleküle im festen Zustand (Eis) ein deutlich größeres Volumen einnehmen als im flüssigen Zustand. Die Dichte nimmt beim Erstarren entsprechend sprunghaft ab. Dieses sprunghafte Ansteigen des Volumens beim Erstarren ist ebenfalls eine Besonderheit von Wasser, die durch die Dichteanomalie hervorgerufen wird!
Während flüssiges Wasser bei 0°C eine Dichte von 1,000 g/cm³ aufweist liegt die Dichte bei derselben Temperatur im festen Zustand bei nur 0,917 g/cm³. Das Volumen des Wasser nimmt beim Gefrieren folglich um rund 9 % zu. Getränkeflaschen sollte deshalb niemals randvoll gefüllt werden, wenn diese ins Eisfach zum Gefrieren gelegt werden. Aufgrund der starken Ausdehnung während des Gefrierens würde die Flasche sonst platzen!
Die aufgrund der Volumenvergrößerung wirkenden Kräfte können sogar ganze Felsblöcke zum Brechen bringen, wenn Wasser in vorhandene Risse eindringt und in den Hohlräumen gefriert. Die Volumenzunahme ist auch der Grund dafür, dass im Laufe der Zeit durch gefrorenes Wasser Schlaglöcher im Asphalt entstehen.
Aufgrund der Dichteanomalie ist gefrorenes Wasser bei gleichem Volumen also leichter als flüssiges Wasser. Dies ist letztlich auch der Grund weshalb Eiswürfel in einem Wasserglas ob schwimmen oder Eisberge im Meer zum größten Teil an der Oberfläche treiben.
Da die Dichte von Eis um 8,3 % geringer als die des flüssigen Wassers ist, befindet sich theoretisch auch nur 8,3 % des Eises oberhalb der Wasseroberfläche. Nicht berücksichtigt ist dabei allerdings, dass bspw. Meerwasser aufgrund des darin gelösten Salzes eine höhere Dichte besitzt als Süßwasser. Dies verleiht dem in der Regel aus Süßwasser bestehendem Eisberg zusätzlichen Auftrieb. Ebenfalls muss bedacht werden, dass ein Eisberg normalerweise keine homogene Masse bildet sondern Lufteinschlüsse oder Ähnliches beinhaltet. Dies führt dazu dass Eisberge weniger stark im umgebenden Wasser einsinken wird als theoretisch berechnet. Es ist davon auszugehen, dass sich unter diesen Berücksichtigungen dennoch nicht mehr als etwa 10 bis 20% des Eisberges oberhalb der Wasseroberfläche befinden.