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).
1.
Die normale Dichte von Wasser ist 1 g/cm³ bei einer Temperatur von 4° Celsius. Sie variiert jedoch mit der Temperatur: bei Erwärmung oder Abkühlung verringert sie sich.
2.
Wenn Wasser zu Eis gefriert, nimmt seine Dichte ab. Eis hat eine geringere Dichte als Wasser, deshalb schwimmt Eis auf Wasser.
3.
Die Dichte von Eis beträgt etwa 0.92 g/cm³.
4.
Die Dichte von Eis ist geringer als die von Wasser, da die Moleküle beim Gefrieren eine hexagonale Struktur bilden, die mehr Platz einnimmt als die Flüssigstruktur des Wassers.
5.
Die Anomalie des Wassers bezeichnet das Phänomen, dass Wasser seine größte Dichte bei einer Temperatur von 4° Celsius hat, anstatt bei der niedrigsten Temperatur.
6.
Eis schwimmt auf Wasser, da seine Dichte geringer ist als die von Wasser.
7.
Mit zunehmendem Salzgehalt erhöht sich die Dichte von Wasser. Dies liegt daran, dass Salz eine höhere Dichte hat als Wasser und seine Lösung also dichter macht.
8.
Die Dichte von Wasser und Eis hat große Auswirkungen auf das Leben in einem See im Winter. Da Eis eine geringere Dichte als Wasser hat, wird der See von einer Eisschicht bedeckt. Das darunterliegende Wasser bleibt daher flüssig und ermöglicht das Überleben von Fischen und anderen Lebewesen im See.
9.
Gegenstände mit einer Dichte zwischen der von Eis und Wasser würden in der Flüssigkeit schweben. Sie wären nicht schwer genug, um vollständig zu sinken, und nicht leicht genug, um an die Oberfläche zu schwimmen.
10.
Eine Dichte von 1 g/cm³ bedeutet, dass ein Volumen von 1 cm³ eines Stoffes 1 Gramm wiegt.