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Warum hat Eis eine geringere Dichte als Wasser? – Aufklärung

Warum hat Eis eine geringere Dichte als Wasser

Wasser (H2O) ist eine chemische Verbindung, die aus den beiden Elementen Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) besteht. Wird von Wasser gesprochen, ist der flüssige Aggregatzustand gemeint. Im festen, also gefrorenen Zustand, wird der Begriff Eis verwendet und als Gas spricht man von Wasserdampf.

Das Elixier des Lebens – Wasser. Ohne Wasser kann es kein Leben auf der Welt geben. Weder für Pflanzen, noch für Tiere und schon gar nicht für die Menschheit. Nicht nur, dass nahezu alle Lebewesen lediglich wenige Tage ohne die Zufuhr von Wasser überleben können. Auch der menschliche Organismus selbst besteht bis zu 70 Prozent aus Wasser, welches überlebensnotwendige Funktionen übernimmt.
Im Normalfall nimmt die Dichte eines Stoffes mit sinkender Temperatur, unabhängig vom Aggregatzustand, zu. Denn je niedriger die Temperatur ist, desto weniger stark schwingen die Teilchen. Folglich ist der Abstand zueinander geringer, weil weniger Raum benötigt wird.
Bei Wasser und Eis hingegen ist es umgekehrt. Doch warum ist dies der Fall?

Wasser (H2O) ist eine chemische Verbindung, die aus den beiden Elementen Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) besteht. Wird von Wasser gesprochen, ist der flüssige Aggregatzustand gemeint. Im festen, also gefrorenen Zustand, wird der Begriff Eis verwendet und als Gas spricht man von Wasserdampf.

Was ist mit der „Dichte“ gemeint?

In der Physik gibt die Dichte p (rho) eines Stoffes das Verhältnis der Masse m zum Volumen V an. Abhängig ist diese besonders von Temperatur und Druck. Meist wird die Dichte in der Einheit <kg/m3> angegeben.
Bei Erwärmung oder Druckminderung eines Stoffes dehnt sich dieser aus, das Volumen vergrößert sich und die Dichte nimmt ab.
Kommt es zur Abkühlung oder Druckerhöhung, zieht sich der Stoff zusammen, das Volumen wird kleiner und die Dichte nimmt zu.

Anomalie des Wassers (Dichteanomalie)

Wasser bildet in diesem Fall eine Ausnahme, denn es hat seine höchste Dichte und damit sein kleinstes Volumen, nicht bei null Grad Celsius als Festkörper, sondern bei vier Grad Celsius im flüssigen Zustand. Unterhalb von vier Grad Celsius nimmt die Dichte wieder ab und das Volumen dementsprechend zu. Der Stoff dehnt sich also bei Abkühlung, anders als oben allgemeingültig festgehalten, aus. Bei diesem Phänomen spricht man von der „Anomalie des Wassers“.

Physikalischer Hintergrund

Beim Gefrieren von Wasser zu Eis kommt es zu einer sprunghaften Veränderung von Volumen und Dichte. Der Grund hierfür ist, dass sich die Wassermoleküle im festen Zustand komplett anders anordnen als im flüssigen. In gefrorener Form braucht die gleiche Anzahl an Molekülen (also die gleiche Masse) mehr Raum. Zum Zeitpunkt des Gefrierens bilden sich Eiskristalle. Die Wassermoleküle verbinden sich zu einem dreidimensionalen Gerüst, in dem die Moleküle nun ein wenig weiter auseinanderliegen, also weniger dicht zueinander sind. Die Ursache liegt bei den Wasserstoffbrückenbindungen, denn durch diese wird mehr Raum benötigt als bei frei beweglichen Molekülen.
Physikalisch betrachtet, hat Eis somit eine geringere Dichte als die Flüssigkeit Wasser. Folglich ist es leichter und schwimmt daher immer an der Oberfläche.

Aufgrund dieses Phänomens sollte man niemals unbeaufsichtigt, beziehungsweise über einen längeren Zeitraum hinweg, eine mit Flüssigkeit gefüllte Flasche ins Gefrierfach legen. Sobald das Wasser nämlich gefriert, benötigt es, wie bereits festgestellt, mehr Raum und kann dementsprechend die Flasche zum Platzen bringen.

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