Dichte mit Maximum
Fast alle Stoffe ziehen sich beim Abkühlen zusammen und sind als Feststoff am dichtesten. Wasser verhält sich nur oberhalb von 4 °C so.
- Über 4 °C:normal — beim Abkühlen wird Wasser dichter.
- Bei 4 °C:größte Dichte, \(\rho \approx 1{,}000\ \mathrm{g/cm^3}\) (genau bei 3,98 °C).
- 0 bis 4 °C:beim weiteren Abkühlen dehnt sich Wasser wieder aus.
- Erstarren:Eis hat nur \(\rho \approx 0{,}917\ \mathrm{g/cm^3}\) — es schwimmt auf Wasser.
- Anomalie:so heißt dieses vom Normalfall abweichende Verhalten.
Senke mit dem Regler oder ▶ die Temperatur an der Oberfläche eines Sees vom Herbst bis in den Winter. Beobachte den Punkt auf der Dichtekurve und die Schichtung im See.
Halte fest: Weil Wasser von 4 °C am dichtesten ist, sammelt es sich im Winter am Grund; kälteres Wasser und Eis bleiben oben — Seen frieren von oben nach unten zu.
Anomalie des Wassers: Wasser hat bei 4 °C seine größte Dichte, und Eis ist leichter als flüssiges Wasser.
Dichte: Über 4 °C wird Wasser beim Abkühlen dichter, zwischen 4 °C und 0 °C dehnt es sich wieder aus. Bei 4 °C gilt \(\rho \approx 1{,}000\ \mathrm{g/cm^3}\), Eis hat nur \(\rho \approx 0{,}917\ \mathrm{g/cm^3}\) und schwimmt.
Folge: Wasser von 4 °C sinkt zum Grund, kälteres Wasser und Eis bleiben oben: Seen frieren von oben nach unten zu.
Hohlräume im Eis
Die Ursache sind die Wasserstoffbrücken: Im Eis zwingen sie die Moleküle in ein weitmaschiges Gitter.
- Eis:jedes Molekül mit genau vier Brücken — starres Gitter mit sechseckigen Hohlräumen.
- Schmelzen:ein Teil der Brücken wird gelöst, Moleküle rücken in die Hohlräume — das Volumen sinkt.
- 0 bis 4 °C:letzte gitterartige Bereiche zerfallen, die Dichte steigt weiter.
- Über 4 °C:die stärkere Teilchenbewegung überwiegt, die Moleküle brauchen mehr Platz.
Herleitung:
Ursache: Wasserstoffbrücken zwingen die Moleküle im Eis in ein weitmaschiges Gitter mit sechseckigen Hohlräumen (jedes Molekül mit vier Brücken).
Schmelzen: Brücken werden gelöst, Moleküle rücken in die Hohlräume, das Volumen sinkt. Bis 4 °C zerfallen die letzten gitterartigen Bereiche.
Über 4 °C: Die stärkere Teilchenbewegung überwiegt, die Moleküle brauchen mehr Platz.
Allgemeine Hinweise
Nicht Eis ist am dichtesten
Das Dichtemaximum liegt beim flüssigen Wasser von 4 °C. Eis von 0 °C ist dagegen der Zustand mit der kleinsten Dichte.
Volumen wächst, Masse nicht
1 kg Wasser bleibt beim Gefrieren 1 kg. Nur das Volumen nimmt um etwa 9 % zu — deshalb platzen volle Flaschen im Gefrierfach.
Neun Zehntel unter Wasser
Ein schwimmendes Eisstück taucht so weit ein, wie es das Dichteverhältnis vorgibt: \(0{,}917 : 1{,}000\) — rund neun Zehntel liegen unter der Oberfläche.