Chemie

Anomalie des Wassers: Warum nimmt Eis mehr Platz ein als flüssiges Wasser?

Rohre, die durch Frost platzen, erinnern uns jeden Winter daran: Eis nimmt mehr Platz ein als flüssiges Wasser! Warum das so ist, lässt sich auf atomarer Ebene erklären.

In den allermeisten Fällen nimmt der feste Zustand eines Körpers weniger Platz ein als der flüssige Zustand. Wasser ist hier eine seltene Ausnahme.

Eine dilatometrische Anomalie

eis nimmt mehr platz ein als flussiges wasser 300x300 - Anomalie des Wassers: Warum nimmt Eis mehr Platz ein als flüssiges Wasser?Physiker nennen die erwähnte Ausnahme auch eine „dilatometrische Anomalie“.

Einige andere, seltene Verbindungen weisen diese Anomalie ebenfalls auf:

  • Antimon
  • Bismut
  • Gallium
  • Germanium
  • Plutonium
  • Silizium

Die Dichte von Eis beträgt 0,91 g/cm3, während jene von flüssigem Wasser 1 g/cm3 beträgt. Die Abnahme der Dichte erklärt unter anderem, warum Eis auf Wasser schwimmt.

Eis nimmt mehr Raum ein: Schuld daran sind Wasserstoffbrückenbindungen

Die dilatometrische Anomalie kann durch die besondere Struktur des Wassermoleküls H2O erklärt werden, das aus zwei Wasserstoffatomen in Verbindung mit einem Sauerstoffatom besteht.. Tatsächlich ist das Sauerstoffatom nämlich negativ geladen und die Wasserstoffatome sind positiv geladen. Das Wassermolekül ist also ein polarisiertes Molekül.

Diese starke Polarität ermöglicht die Bildung von Bindungen, sogenannten Wasserstoffbrücken„, zwischen dem Sauerstoffatom und dem Wasserstoffatom eines benachbarten Moleküls.

Im Eis sind die durch Wasserstoffbrückenbindungen gehaltenen Wassermoleküle in einem Netzwerk von Sechsecken angeordnet, das viel Leerraum lässt: Eis nimmt daher mehr Raum ein als Flüssigkeit.

Wasserstoffbrückenbindungen kommen auch in flüssigem Wasser vor, allerdings in einer weniger stabilen Form. Außerdem hat Wasser dadurch eine hohe Verdampfungstemperatur (ca. 100°C) für ein verhältnismäßig kleines Molekül (zum Vergleich: H2S verdampft z.B. bei -60°C). Das ist auch der Grund, warum auf der Erde flüssiges Wasser bei Raumtemperatur existiert und sich darin Leben entwickeln konnte.

Urhebender Autor: Par Antoine Besse

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