Untersucht man die Dichte von Wasser in Abhängigkeit der Temperatur, so stellt man fest, dass bei einer Temperatur von 4 °C Wasser das kleinste Volumen hat, weshalb die Dichte von Wasser bei dieser Temperatur am größten ist. Dieses Phänomen wird als Anomalie des Wassers bezeichnet.
Vor allem im Sommer lässt sich ein Phänomen beobachten, nämlich das ein Eiswürfel auf Wasser schwimmt. Eis hat also eine geringere Dichte, als Wasser. Daher schwimmt Eis auf dem Wasser.
Dieses Phänomen ist untypisch für die Mehrheit aller chemischen Verbindungen. Normalerweise hat ein Feststoff eine größere Dichte, als dessen flüssiger Aggregatzustand. Dies lässt sich mit dem einfachen Teilchenmodell erklären: Beim Erwärmen eines Stoffes beginnen die einzelnen Stoffteilchen sich stärker zu bewegen und nehmen daher ein größeres Volumen ein. Da nun die Stoffteilchen auf ein größeres Volumen verteilt werden können, ist die Dichte des flüssigen Aggregatzustands in der Regel kleiner (Dichte = Masse : Volumen). Daher sinkt normalerweise ein Feststoff in seiner Flüssigkeit nach untern.
Bei Eis (fester Zustand) und Wasser (flüssiger Zustand) ist das genau verkehrt herum. Wasser hat mit einer Dichte von ca. 1 g/ml eine größere Dichte als Eis (ca. 0,92 g/ml). Damit schwimmt das Eis auf dem Wasser.
Wie lässt sich das nun erklären?
Die Dichte von Wasser und Eis lassen sich nicht mit dem einfachen Teilchenmodell erklären. Da Eis eine geringe Dichte als Wasser hat, müssen beim Eis die Wasserteilchen voneinander weiter entfernt sein, als im Vergleich zum flüssigen Aggregatzustand. Das bedeutet im festen Zustand wirken zwischen den einzelnen Wassermolekülen geringere Anziehungskräfte. Dadurch erhöht sich das Volumen und die Dichte sinkt.
Wie wir später in der Allgemeinen Chemie lernen werden, wirken zwischen Wassermolekülen die sogenannten Wasserstoffbrückenbindungen. Diese “Bindungen” sind eine ganz spezielle Art von Bindung. Im festen Zustand liegt ein geordnetes Gitter von Wassermolekülen vor, die unter anderem durch die Wasserstoffbrückenbindungen auf den Gitterplätzen fixiert werden.
Im flüssigen Zustand wirken ebenfalls Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den einzelnen Wassermolekülen, allerdings sind die Wassermoleküle nicht in einem Gitter geordnet. Durch diese Ordnung im Feststoff sind (vereinfacht gesagt) die Wasserteilchen nicht so beweglich wie im flüssigen Zustand. Daher liegen im Durchschnitt die Wasserteilchen weiter auseinander, weshalb das Volumen größer wird (und die Dichte kleiner).