Anomalie des Wassers

Wasser verhält sich aufgrund seiner besonderen Struktur im Temperaturverhalten anders als die meisten anderen Stoffe. Um dies zu verdeutlichen sind in der unteren Abbildung mehrere Wassergefäße 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" [fahre hierzu mit der Maus über die Abbildung]. Das Volumen des Wassers nimmt erwartungsgemäß ab bzw. die Dichte steigt (Beachte, dass Volumen und Dichte sich genau umgekehrt zueinander verhalten).

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Interaktive Abbildung: Versuch zur Dichteanomalie von Wasser

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, d.h. 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 \(0,99997 \frac{\text{g}}{\text{cm³}}\)! Eine solche Dichteanomalie zeigt allerdings nicht nur Wasser sondern auch andere Stoffe wie bspw. Silizium oder Germanium.

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Interaktive Abbildung: Dichteanomalie von Wasser

Grund für die Dichteanomalie des Wassers sind sogenannte Cluster. Dies sind Ansammlungen von Wassermolekülen die durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten werden. Solche Cluster können sich allerdings nur bei relativ niedrigen Temperaturen 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.

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Animation: Clusterbildung der Wassermoleküle

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.

Hinweis: Bei weiterer Abkühlung nahe dem Erstarrungspunkt werden die Cluster immer größer und größer und weisen allmählich Kristallstrukturen von festem Eis auf, die jedoch nicht stabil sind und bereits nach kurzer Zeit wieder zerfallen. Grundsätzlich beträgt die Lebensdauer der einzelnen Cluster 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.

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