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.

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

Die Dichteanomalie von Wasser – Testfragen/-aufgaben

Was versteht man unter der Dichteanomalie von Wasser?

Die Dichteanomalie von Wasser bezieht sich auf die ungewöhnliche Eigenschaft von Wasser, bei einer Temperatur von 4 Grad Celsius die höchste Dichte aufzuweisen. Dies steht im Gegensatz zu den meisten anderen Materialien, welche kontinuierlich an Dichte gewinnen, wenn sie abkühlen.

Was passiert mit der Dichte von Wasser wenn es erhitzt oder abgekühlt wird?

Die Dichte von Wasser verringert sich sowohl wenn es über 4 Grad Celsius erhitzt als auch wenn es unter 4 Grad Celsius abgekühlt wird.

Welche Auswirkungen hat die Dichteanomalie des Wassers auf das Ökosystem, insbesondere in Gewässern?

Dank der Dichteanomalie des Wassers gefrieren Seen und Meere von oben nach unten, und nicht umgekehrt. Dies ermöglicht das Überleben von Wasserorganismen, da die tieferen Wasserschichten flüssig und damit lebensfähig bleiben.

Warum schwimmt Eis auf Wasser?

Eis schwimmt auf Wasser, da es eine geringere Dichte hat. Dies ist eine direkte Folge der Dichteanomalie von Wasser.

Wann hat Wasser seine höchste Dichte?

Wasser hat seine höchste Dichte bei einer Temperatur von 4 Grad Celsius.

Wie würde sich die Welt verändern, wenn Wasser keine Dichteanomalie hätte?

Ohne die Dichteanomalie würde Wasser beim Abkühlen von unten nach oben gefrieren. Dies würde dazu führen, dass viele aquatische Lebensformen nicht überleben könnten, da die gesamte Wassertiefe im Winter gefroren wäre.

Warum gefriert Wasser in Rohren bei Frost von außen nach innen?

Wasser in Rohren gefriert bei Frost von außen nach innen wegen der Dichteanomalie des Wassers. Das Wasser an den Seiten des Rohres wird zuerst abgekühlt und expandiert aufgrund der Dichteanomalie an der Oberfläche, wodurch das Innere des Rohres länger flüssig bleibt.

Wie wirkt sich die Dichteanomalie auf die Thermohaline Zirkulation aus?

Die thermohaline Zirkulation, auch als globales Förderband bekannt, wird durch die Dichteanomalie des Wassers stark beeinflusst. Kaltes Wasser ist dichter und sinkt in die Tiefe, während warmes, weniger dichtes Wasser an die Oberfläche steigt. Dieser Prozess treibt die Zirkulation der Ozeane auf der ganzen Welt an.

Wie wirkt sich die Dichteanomalie auf den Zustand von Wasser aus?

Die Dichteanomalie von Wasser hat Auswirkungen auf seinen Aggregatzustand. Wasser hat die ungewöhnliche Eigenschaft, dass es beim Übergang vom flüssigen in den festen Zustand (Gefrieren) an Volumen zunimmt und somit seine Dichte verringert.

Welchen Einfluss hat die Dichteanomalie von Wasser auf das Klima auf der Erde?

Die Dichteanomalie des Wassers hat großen Einfluss auf das globale Klima. Sie ermöglicht die Existenz des Thermohalinen Zirkulationssystems, welches die Ozeane erwärmt oder abkühlt und so das weltweite Klima prägt.