Dichte von Wasser messen

Erwärmt man Wasser von 0°C bis auf 4°C stellt man fest, dass sich das Volumen, das eine bestimmte Menge Wasser einnimmt, verkleinert. Erwärmt man das Wasser weiterhin von 4°C bis auf 100°C, so beobachtet man, dass durch den Temperaturanstieg das Volumen ansteigt und daher die Dichte des Wassers kleiner wird.

Bei einer Temperatur von 4 °C hat Wasser das kleinste Volumen, weshalb die Dichte von Wasser bei dieser Temperatur am größten ist. Dieses Phänomen wird auch als Dichteanomalie von Wasser bezeichnet (siehe hierzu auch die entsprechenden Kapitel im Themengebiet “Chemie – Stoffe im Alltag).

Dichte von Wasser messen

Wie auch bei allen anderen Stoffen (insbesondere Flüssigkeiten und Gase) ist die Dichte von Wasser abhängig von der Temperatur und vom Druck auf das Wasser einwirkt. Zudem müssen wir beim Messen der Dichte von Wasser berücksichtigen, dass Wasser nicht gleich Wasser ist (Thema “Hartes Wasser, weiches Wasser”). Jede Wasserprobe, die wir im Alltag aus einer bestimmten Umgebung untersuchen, ist kein reines (destilliertes) Wasser, sondern enthält auch Verunreinigungen bzw. gelöste Stoffe (z. B. Calciumionen oder andere Metallionen).

Daher untersuchen die Dichte von Wasserproben, die eine ähnliche chemische Zusammensetzung wie das Leitungswasser haben. Die Messbedingungen (Temperatur und Druck) spielen ebenfalls eine wichtige Rolle. Allerdings kann man (in einfachen Experimenten) selbst nachweisen, dass der Druckeinfluss auf die Dichte von Wasser sehr gering ist. Natürlich erhöht sich auch die Dichte von Wasser bei Druckerhöhung, allerdings bei “normalen” Drücken (bis 10 bar) ist die Änderung der Dichte vernachlässigbar. Bei konstanter Temperatur steigt dabei die Dichte von Wasser bei einer Druckerhöhung um 1 bar um jeweils 0,04 bis 0,05 g/ml (was bei einer Dichte von 1 g/ml bei 4°C) vernachlässigbar ist.

Aber auch eine Temperaturänderung führt nicht zu einer “dramatischen” Veränderung der Dichte von Wasser. Bei Normaldruck (1 bar) beträgt die Dichte von Wasser bei 4°C ca. 0,99997 g/ml, bei 20°C 0,99835 g/ml, bei 50°C 0,98800 g/ml und bei 90°C 0,96535 g/ml (Ergebnisse aus einem einfachen Schulversuch). Auch hier beobachten wir, dass die Dichte von Wasser über den Temperaturbereich von 4°C bis 90°C nur unwesentlich abnimmt (Abnahme der Dichte um ca. 3 – 4%). Daher ist es auch bei Schulversuchen “zulässig” die Dichte von Wasser mit 1 g/ml bzw. 1 kg/m³ anzunehmen

Messmethoden: Dichte von Wasser bestimmen

• Die Dichte lässt sich einfach durch die Masse und dem entsprechenden Volumen von Wasser bestimmen (beispielsweise 1 Liter). Die Dichte von Wasser wird berechnet, indem das Volumen des Wassers durch die entsprechende Masse des Wassers dividiert (Dichte = Masse : Volumen).
• Die Dichte von Wasser lässt sich aber auch mit Hilfe des Archimedische Prinzip bestimmen. Gemäß diesem Prinzip taucht ein Körper in eine Flüssigkeit so tief ein, bis die Gewichtskraft der Flüssigkeit (die vom Körper verdrängt wird) der Gewichtskraft des eingetauchten Körpers entspricht (siehe hierzu auch das Kapitel: Archimedes Prinzip). Allerdings baut man Alltag keinen Versuchsaufbau nach Archimedes auf, um die Dichte von Wasser zu bestimmen (dieser Versuch wird in der Schule häufig “verwendet”, allerdings nicht, um primär die Dichte von Wasser zu bestimmen, sondern das Archimedische Prinzip zu beweisen). Im Alltag verwendet man ein Aräometer, um die Dichte von Wasser zu bestimmen. Das Aräometer basiert auch auf dem Archimedischen Prinzip, ist aber einfacher in der Handhabung. Definierte Wassermenge in einem Behälter füllen, Aräometer eintauchen und den Wert für die Dichte am Aräometer ablesen.