Die Dichteanomalie von Wasser

Wasser – ein ganz besonderer Stoff – auch im Hinblick auf seine physikalischen Eigenschaften

Wenn man einen flüssigen Stoff erwähnt, dehnt dieser sich bei Erwärmung aus. Dieser Effekt wird mit dem einfachen Teilchenmodell erklärt. Durch die Zufuhr von (Wärme)energie beginnen sich die Stoffteilchen stärker zu bewegen, weshalb sich der Stoff ausdehnt. Dadurch, dass sich der Stoff bei Erwärmung ausdehnt (Volumen wird größer) wird die Dichte des Stoffes geringer (Dichte = Masse : Volumen)

Erwärmt man nun Wasser, so stellt man eine besondere Eigenschaft fest, die sonst keine andere Flüssigkeit zeigt. Erwärmt man Wasser von 0°C bis auf 4°C stellt man fest, dass sich das Volumen verkleinert. Erwärmt man nun das Wasser von 4°C bis auf 100°C (bis es siedet), so stellt man fest, dass hier das Volumen ansteigt und daher die Dichte kleiner wird.

Bei einer Temperatur von 4 °C zeigt also Wasser das kleinste Volumen, weshalb die Dichte von Wasser bei dieser Temperatur am größten ist. Es hat bei 4 °C sein kleinstes Volumen und damit seine größte Dichte. Betrachten wir also die Dichte bei 4 °C, so steigt das Volumen des Wassers sowohl bei Temperaturerhöhung (was normal für Flüssigkeiten ist) als auch bei Temperaturerniedrigung (was anormal für Flüssigkeiten ist). Dieses Verhalten (temperaturabhängige Dichte) von Wasser wird als Anomalie des Wassers bezeichnet.

Temperatur
in °C
Dichte
in g/cm3
0,00,999840
0,50,999872
1,00,999899
1,50,999922
2,00,999940
2,50,999954
3,00,999964
3,50,999970
4,00,999972
4,50,999970
5,00,999964
5,50,999954
6,00,999940
6,50,999923
7,00,999902
7,50,999877
8,00,999848

 

Quelle: Wikipedia

 

Dichteanolamomalie

Betrachten wir nun nicht nur die Flüssigkeit „Wasser“, sondern auch den Feststoff „Wasser“ bzw. Eis. Kühlen wir Wasser ab, bis es gefriert, so stellen wir fest, dass sich beim Gefrieren das Volumen des Wassers ebenfalls vergrößert. Die Dichte von Eis ist also größer, als die von Wasser bei 4°C. Auch hier gibt es kaum Stoffe, die in diesem Fall eine ähnliche Eigenschaft wie Wasser zeigen. Diese Eigenschaft führt dazu, dass ein Eiswürfel auf Wasser schwimmt (größere Dichte).

Die Anomalie des Wassers hat daher wesentliche Einflüsse auf unseren Alltag

  • Eis schwimmt aufgrund der großen Dichte auf dem Wasser.
  • Beim Gefrieren erhöht sich das Volumen, daher führt diese Ausdehnung von Wasser beispielsweise dazu, das eine Wasserflasche gesprengt wird
  • Die Dichteanomalie ist aber auch für alle „Lebewesen“ in See lebensnotwendig. Aufgrund der Dichte sinkt das Wasser bei 4°C in einem See nach unten ab. Das kältere Wasser (im Winter) hat eine höhere Dichte, als Wasser bei 4°C. Da Eis ebenfalls eine höhere Dichte, schwimmt es ebenfalls oben. Das bedeutet, dass ein See von oben nach unten gefriert. In den unteren Schichten eines Sees können also Lebewesen im nicht-gefrorenen Wasser überleben.

Die Dichteanomalie des Wassers lässt sich nicht mit dem einfachen Teilchenmodell erklären. Für „Wissbegierige“ hier bereits. Die sogenannte Wasserstoffbrückenbindung zwischen den Wassermolekülen ist für die (Dichte-) Anomalie des Wassers verantwortlich.

Die besonderen chemischen und physikalischen Stoffeigenschaften von Wasser

  • Wasser ist der einzige Stoff, der in der Natur in allen drei Aggregatzuständen (fest, flüssig, gasförmig) vorkommt
  • Wasser zeigt eine Dichteanomalie, die kleinste Dichte liegt bei 4°C
  • Wasser besitzt unter den Flüssigkeiten mit die höchste Wärmekapazität und hat daher eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit