Dichteanomalie des Wassers

Anomalie des Wassers – Chemie

Eiswürfel schwimmen in einem Getränk oben. Das ist für uns ganz normal. Eigentlich bildet Wasser aber damit eine seltene Ausnahme. Gefrorenes Öl sinkt zum Beispiel in einem Glas mit flüssigem Öl auf den Boden. Das ist so, weil sich in dem Feststoff pro Volumeneinheit mehr Teilchen befinden als in der Flüssigkeit. Und beim Wasser? Wasser unterscheidet sich mit dieser Eigenschaften von fast allen anderen Flüssigkeiten. Gefrorenes Wasser schwimmt auf dem flüssigen Wasser. Damit befinden sich in einem Kubikzentimeter Eis weniger Teilchen als in einem Kubikzentimeter Wasser. Die Dichte von Eis ist also geringer als beim flüssigen Wasser. Das ist kein normal-thermisches Stoffverhalten und wird deswegen als Anomalie des Wassers bezeichnet. Das schauen wir uns nun noch ein bisschen genauer an.

Was ist die (Dichte-)Anomalie des Wassers? – Definition

Einfach erklärt wird mit der Anomalie des Wassers ein Phänomen bezeichnet, bei dem Wasser bei einer Temperatur von vier Grad die größte Dichte und das kleinste Volumen besitzt. Wasser, das kälter oder wärmer als vier Grad ist, hat eine geringere Dichte. Demnach ist vier Grad kaltes Wasser am schwersten im Vergleich zu Wasser jeder anderen Temperatur. Doch was ist die Ursache der Dichteanomalie des Wassers?

Dichteanomalie des Wassers – Erklärung

In flüssigem Wasser befinden sich Wassermoleküle, die sich bewegen und immer wieder gegenseitig kurz anziehen. Diese Anziehung findet über Wasserstoffbrückenbindungen statt. Im warmen Wasser ist die Bewegungsenergie hoch, während sie im kalten Wasser geringer wird. Bei kleiner werdender Bewegungsenergie halten die Wasserstoffbrückenbindungen länger an. Gefriert das Wasser, bleiben die Wassermoleküle nur noch auf der Stelle und ordnen sich in einem energetisch günstigen Zustand an – sie bilden eine Gitterstruktur aus. Durch sie benötigt die Struktur im festen Zustand mehr Raum als bei beweglichen Molekülen. Beim Gefrieren dehnt sich das Wasser folglich aus.

Im folgenden Bild kannst du sehen, dass die Wassermoleküle im Eis durch die regelmäßige Anordnung mehr Platz benötigen. Im kalten Wasser sind die Wassermoleküle am dichtesten – das Wasser besitzt hier die größte Dichte. Im warmen Wasser benötigen die Wassermoleküle wieder etwas mehr Platz – die Dichte von Wasser nimmt ab.

Was bedeutet Anomalie des Wassers? – Beispiele

In der folgenden Tabelle kannst du die Dichte $\Rho$ von Wasser in Abhängigkeit von der Temperatur $T$ bei Normaldruck ($\pu{1 013 hPa})$ sehen. Die Dichte von Eis bei einer Temperatur von null Grad ist deutlich geringer als die Dichte von Wasser bei null Grad. Das ist der Grund, warum Eis auf Wasser schwimmt. Die größte Dichte besitzt Wasser bei einer Temperatur von vier Grad.

Bedeutung der (Dichte-)Anomalie des Wassers – Beispiel See

Die Anomalie des Wassers hat in der Natur eine große Bedeutung. Das Leben der Tiere und Pflanzen ist daran angepasst. In einem See befindet sich das vier Grad kalte Wasser immer unten am Grund des Sees, da es mit der größten Dichte am schwersten ist.

Im Sommer wird die Wasseroberfläche des Sees erwärmt. In der Tiefe des Sees ist das Wasser kälter. Diesen Versuch der Anomalie des Wassers kannst du das nächste Mal beim Baden in einem See leicht selbst durchführen. Oben an der Oberfläche ist das Wasser schön warm, doch taucht man etwas ab, wird das Wasser deutlich kühler.

Das Wasser kühlt sich im Herbst ab. Es wird durch Strömungen durchmischt. Dadurch ergibt sich im See ein Temperaturausgleich.

Im Winter – wenn es kälter wird – kann die Wasseroberfläche zufrieren. Da das vier Grad kalte Wasser nach unten sinkt, beginnt der See, von oben nach unten zu gefrieren. Ist der See tief genug, bildet sich nur an der Oberfläche eine Eisschicht. In der Tiefe befindet sich dann das vier Grad kalte, aber flüssige Wasser. Der Vorteil der Anomalie des Wassers ist, dass dadurch nicht der ganze See zufriert. Pflanzen und Tiere im See können also auch im Winter unter der Eisfläche überleben.

Das Wasser wird im Frühjahr wieder erwärmt. Es findet wieder eine Durchmischung statt.

Im folgenden Bild kannst du die verschiedenen Temperaturzonen eines Sees im Sommer und im Winter sehen. Das vier Grad kalte Wasser ist am schwersten und befindet sich immer am Grund des Sees.

Dieses Video

In diesem Video lernst du, was man unter der Anomalie des Wassers versteht. Wasser verhält sich anders als andere Flüssigkeiten und hat seine größte Dichte bei einer Temperatur von vier Grad. Da sich die Wassermoleküle beim Gefrieren energetisch günstig in einer Gitterstruktur anordnen, dehnt sich gefrorenes Wasser aus. Es nimmt mehr Volumen ein und hat eine geringere Dichte. Deswegen schwimmt Wasser auf Eis.

Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben und Arbeitsblätter zu dem Thema (Dichte-)Anomalie des Wassers, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!