Anomalie des Wassers - Referat

Die Besonderheit von Wasser

Gefrorenes Wasser, also Eis:

„Flüssiges“ Wasser:

Die Aggregatzustände des Wassers genauer beleuchtet:

Häufige Fragen:

• Eis oder kaltes Wasser, was braucht mehr Platz und warum?

• Cluster, also Wasserstoff-Brückenbindungen, verändern sich bei höheren Temperaturen sehr schnell. Kühlt das Wasser ab, entstehen immer mehr Cluster, die auch länger halten. Natürlich benötigen sie auch entsprechend mehr Platz, deshalb dehnt sich Wasser, wenn der Temperaturbereich unter 4°C sinkt, aus. Sinkt die Temperatur noch weiter unter 0°C, bilden sich immer mehr Kristall-Vorläufer und das Wasser gefriert. Dabei ist dann der Platzdarf auch höher.
  
  

• Was bedeutet die Anomalie des Wassers?

• Wasser hat bei 4°C sein kleinstes Volumen und damit seine größte Dichte. In der Physik bezeichnet man dieses, nicht normale, thermische Verhalten als Anomalie des Wassers.
  
  

• Flüssigkeiten ziehen sich beim Abkühlen und beim Erstarren zusammen, stimmt das auch für Wasser?

• Allgemein gilt: Ändert sich die Temperatur einer Flüssigkeit, so ändert sich auch ihr Volumen. Bei Erhöhung der Temperatur dehnen Flüssigkeiten sich aus, wird die Temperatur verringert, ziehen sie sich zusammen.
  
  Wasser hat aber bei 4°C sein kleinstes Volumen und seine größte Dichte und dehnt sich deshalb beim Abkühlen unter 4°C und beim Erwärmen über 4°C aus. Bei der Berechnung der Volumenänderung ist der Volumenausdehnungskoeffizient, der für verschiedene Stoffe auch einen unterschiedlichen Wert hat, ausschlaggebend.
  
  

• Wenn Wasser erhitzt oder gekühlt wird, verändert sich dabei sein Zustand?

• Wasser kann sehr unterschiedlich aussehen: als flüssiges Wasser zum Beispiel aus der Wasserleitung, in festem Zustand als Eiswürfel oder riesiger Eisberg oder gasförmig, wenn es verdampft zum Beispiel beim Kochen.
  
  Wenn Wasser zu sieden beginnt, dann verdampft Wasser zu Wasserdampf. Wird Wasser stark abgekühlt, erstarrt es zu Eis und dieses schmilzt bei Erhöhung der Temperatur wieder in den flüssigen Zustand. Kommt Wasserdampf zum Beispiel mit einer kalten Glasscheibe in Berührung, kondensiert der Dampf wieder zu Wasser.
  
  Es gibt also drei Aggregatzustände: flüssig, fest oder gasförmig.
  
  

• Kann Wasser bis auf den Grund gefrieren?

• Da Wasser bei 4°C die höchste Dichte hat und damit am schwersten ist, nach unten sinkt und sich am Grund zum Beispiel eines Sees sammelt. Das leichtere Wasser mit einem Temperaturbereich von 1°C bis 3°C friert in den oberen Schichten also zuerst zu und es bildet sich eine Eisschicht auf dem See. Unter Eisschicht findet sich zuerst das 1°C kalte Wasser, darunter das 2°C kalte Wasser, danach das 3°C kalte Wasser und am Boden dann das Wasser mit einer Temperatur von 4°, das ja am schwersten ist.
  
  Der See friert also von oben zu. Je nachdem wie lange eine Kälteperiode dauert und wie tief ein See ist, kann das Wasser schon bis auf den Grund durchfrieren. Tiefere Seen frieren in der Regel nicht bis auf den Grund zu und sichern so das Überleben der Fische.
  
  

• Warum dehnt sich Wasser aus, wenn es gefriert?

• Auf Grund der Dichteanomalie des Wassers nimmt das Volumen bei Abkühlung bis zu einer Temperatur von 4°C ab. Unterhalb dieser Temperatur dehnt es sich wieder aus. Grund dafür sind die instabilen Wasserstoff-Brücken des H2O Moleküls. Die Atome im Wasserstoffmolekül ziehen die Elektronen unterschiedlich stark an, am Wasserstoffatom entsteht ein geringer positiver Ladungsschwerpunkt und damit am Sauerstoffatom ein positiver. Dadurch entstehen Wasserstoff-Brückenbindungen. Diese benötigen mehr Platz. Auch im flüssigen Wasser gibt es deshalb noch Bereiche, in denen die Moleküle regelmäßig zueinander ausgerichtet sind. Die sogenannten Cluster sind nicht so starr wie in einem festen Kristall und verändern sich bei höheren Temperaturen sehr schnell. Wenn das Wasser abkühlt entstehen immer mehr Cluster, die auch länger halten und die auch mehr Platz benötigen. Sinkt die Temperatur des Wassers unter 4°C, dann dehnt es sich deshalb wieder aus.
  
  

• Stimmt es, dass Wasser auch bei + 2°C gefriert?

• Auf Grund von Verdunstungskälte kann Wasser auch bei +2° gefrieren, da die „warmen“ Teilchen mit der höheren Energie zuerst verdunsten. Was zurückbleibt sind die die „warmen“ Teilchen, damit ist das Wasser kälter als die sie umgebende Lufttemperatur von 2° Grad und gefriert beim Abkühlen durch die Verdunstung auf 0° C. Durch Wind kann diese Verdunstung noch gefördert werden, wenn er die mit dem verdunsteten Wasser „gesättigte“ Luft abtransportiert. Das kann man zum Beispiel an den Autoscheiben feststellen.
  
  

• Was passiert, wenn Wasser verdampft?

• Mit Phasenübergang beschreibt man den Übergang einer Flüssigkeit vom flüssigen in den gasförmigen Zustand und nennt dies Verdampfen. Erhitzt man Wasser in einem oben offenen Gefäß von unten mit einer Wärmequelle, dann baut sich ein sogenannter Temperaturgradient auf. Das bedeutet, am Boden des Gefäßes ist es am heißesten, die Temperatur an der Oberfläche ist aber noch gleich mit der umgebenden Lufttemperatur. Wir wissen bereits, dass warmes Wasser eine geringere Dichte als kaltes Wasser hat. Es steigt also auf und das kalte Wasser sinkt zu Boden. Das bezeichnet man auch als Konvektion. Erwärmt man das Gefäß nur langsam, kann die komplette Flüssigkeitsmenge Verdampfen, ohne dass Blasen aufsteigen.
  
  Sobald die Bodentemperatur höher als die Siedetemperatur des Siededrucks ist, verdampft das Wasser. An Verdampfungskernen, kleinen Unebenheiten im Gefäßboden, bilden sich Blasen aus, die nach oben steigen. Dadurch strömt kühleres Wasser nach unten und das Wasser beginnt zu sieden. In den Blasen ist Wasserdampf oder auch andere Gase, die im Wasser gelöst waren.
  
  Durch die Erwärmung des Oberflächenwassers erwärmt sich auch die darüber befindliche Dampfphase. Wird nun die Wärmezufuhr nicht unterbrochen, verdampft das Wasser gänzlich.
  
  Verdampft Wasser, obwohl die Temperatur in der Umgebung keine große Differenz aufweist, so nennt man das Verdunsten. Das Wasser in Wasserpfützen verdunstet zum Beispiel nach einer Weile wieder.
  
  

• Flüssig oder fest, in welchem Aggregatzustand hat Wasser die niedriger Dichte?

• Bei den meisten Stoffen nimmt die Dichte mit abnehmender Temperatur zu, auch wenn sich der Aggregatzustand ändert. Verringert sich die Dichte eines Stoffes unterhalb einer bestimmten Temperatur, spricht man von Dichteanomalie, wenn sich der Stoff bei Abkühlung also ausdehnt. Dichteanomalien treten bei verschiedenen chemischen Elementen auf, Antimon, Bismut oder Gallium. Wasser ist jedoch der wichtigste Stoff mit dieser Anomalie: die maximale Dichte von flüssigem Wasser wird bei mehr als 0° C erreicht und andererseits hat Eis eine geringere Dichte als flüssiges Wasser. Es gibt auch stark polare Flüssiggase wie Ammoniak oder Fluorwasserstoff die Dichteanomalien aufweisen.
  
  

• Was kann passieren, wenn man Wasser in dicke Glasschüsseln gießt?

• Wenn man heißes Wasser in ein Glas füllt, dann wird die Innenseite des Glases sehr schnell erhitzt und es dehnt sich aus. Da dies an der Außenseite des Glases langsamer geschieht, führt es zu erheblichen Spannungen der Innen- und Außenseite, die das Gals zum Platzen bringen können. Da Glas ein schlechter Wärmeleiter ist, muss je dicker das Glas ist, der Temperaturanstieg umso langsamer erfolgen.
  
  

• Darf man Wasser zweimal aufkochen?

• Dazu findet man unterschiedliche Meinungen. Der Hersteller von Wasserkochern empfehlen, immer frisches Wasser zu verwenden. Der Grund dafür könnten möglicherweise giftige Stoffe sein, die sich aus dem Material des Wasserkochers lösen. Außerdem können sich Bakterien, die auch immer im Wasser sind, durch das Stehenlassen des Wassers vermehren. Allerdings werden sie beim zweiten Mal aufkochen ebenso schnell wieder abgetötet.
  
  

• Bei welchen Temperaturen hat Wasser die größere Dichte?

• Wasser hat seine größte Dichte bei 4° C und damit sein kleinstes Volumen.
  
  

• Warum wird von 7 Anomalien des Wassers ausgegangen?

• Wasser ist keine gewöhnliche Substanz, im Gegensatz zu anderen Flüssigkeiten verhält es sich in fast allen seiner Eigenschaften anders. Wissenschaftler beschäftigen sich schon lange mit der Erforschung diese besonderen Eigenschaften von Wasser. Mit unzähligen Experimenten und theoretischen Modellen stellen sie die Anomalien des Wassers dar. Es gibt bis zu 40 solcher, besonderer Eigenschaften, die Wasser von anderen einfachen Flüssigkeiten unterscheiden. Die bekannteste Anomalie des Wassers ist das Dichtemaximum, das oben schon ausführlich beschrieben wurde. Des Weiteren besitzt Wasser ein negatives Schmelzvolumen, außerdem hat Wasser einen sehr geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, die sogenannten thermodynamischen Anomalien des Wassers.
  
  

• Warum können Fische im Winter unter einer Eisschicht überleben?

• Die thermische Schichtung in stehenden Gewässern bewirkt, dass sich am Grund des Gewässers Wasser mit einer Temperatur von 4° C sammelt und so den Fischen ein Überleben möglich macht, wenn das Gewässer tief genug ist.