Wieso schwimmen Eiswürfel im Wasser? Wie können Fische im Winter in kleinen Seen überleben, obwohl der See an der Oberfläche gefriert? Dass Wasser in verschieden Formen vorkommt, nämlich fest, flüssig und gasförmig, wissen die meisten noch. Bei beinahe allen Stoffen besitzt die feste Form die höchste Dichte und nimmt entsprechend in dieser Form das kleinste Volumen ein. Entsprechend sinkt bei all diesen Stoffen die feste Form in der flüssigen. Wasser macht das jedoch genau nicht und bildet eine Ausnahme. Wasser hat bei 4°C seine höchste Dichte und nimmt entsprechend dort das geringste Volumen ein, Wasser das weiter gekühlt wird, besitzt also wieder eine geringere Dichte und ist leichter. Dieser Umstand wird als Anomalie des Wassers bezeichnet.
Wir haben jeden Tag, dauernd mit Wasser zu tun, es ist lebensnotwendig und für Taucher das Medium in dem er sich bewegt und er auch kennen sollte. Nichtsdestotrotz fragen nur selten nach den Eigenschaften von Wasser. Wir wissen, dass es bei 0°C gefriert und etwa bei 100°C siedet, aber ansonsten ist eigentlich nur wichtig das es aus de Wasserhahn fliesst und wir es trinken oder anderweitig verwenden können. In der Natur ist dies aber nicht so. Fische überleben den Winter nur genau dank dieser Anomalie. Wenn man bedenkt, dass alles Leben in der Evolutionstheorie aus dem Wasser stammt, konnten unsere, im Wasser lebenden, Vorfahren auch nur deshalb überleben. Zuerst jedoch ein paar Grundlegende Eigenschaften von Wasser.
Die Entscheidende Eigenschaft von Wasser ist die Tatsache, dass es ein Dipol ist. Wasser ist kein einzelnes Atom, sondern ein Molekül und besteht aus zwei Wasserstoffatomen sowie einem Sauerstoffatom. In der Physik oder Chemie wird daher Wasser meistens mit H2O bezeichnet. Die beiden Wasserstoffe bilden mit dem Sauerstoff ein Molekül. Dadurch dass die beiden H-Atome, welche an das O-Atom gebunden sind, die Elektronen im Molekül weniger anziehen als das O und zudem einen Winkel von ca. 105° bilden ist Wasser ein Dipol. So können sich nämlich Partialladungen ausbilden. Durch die Ladungsverschiebung sind die beiden Wasserstoffatome leicht positiv und das Sauerstoffatom leicht negativ geladen.
Dadurch dass das Wassermolekül ein Dipol ist, können jetzt die einzelnen Moleküle wieder miteinander wechselwirken. Die Moleküle üben nämlich Anziehungs- und Abstoßungskräfte aufeinander aus. Die partial positiv geladenen Wasserstoffe ziehen die negativen Sauerstoffe von anderen Molekülen an. Dadurch können sich die sogenannten Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden. Die Wasserstoffbrücken haben eine Stärke, die etwa 10% einer normalen Chemischen Bindung entsprechen. Das ist eine recht starke intermolekulare Kraft. Auf dieser Dipoleigenschaft und somit der Wasserstoffbrückenbildung beruhen sehr viele physikalische und chemische Eigenschaften des Wassers, zum Beispiel eben der Anomalie.
Wie funktioniert das jedoch genau? Wie eben erwähnt bilden sich zwischen den einzelnen Wassermolekülen Wasserstoffbrückenbindungen aus. Somit bilden die Moleküle immer kleine Konstrukte. Je nachdem wie stark sich die Moleküle bewegen, können grössere oder kleinere Gebilde konstruiert werden. Je wärmer ein Stoff wird, desto mehr bewegen sich die Moleküle und es wird schwieriger für die Moleküle eine Wasserstoffbrücke zu bilden. Erhitzt man Wasser also nur hoch genug, sind die Moleküle irgendwann so schnell und alle Wasserstoffbrückenbindungen lösen sich. Hier ist der Siedepunkt erreicht und Wasser geht in seinen gasförmigen Zustand über.
Man würde nun erwarten, dass sich bei 0°C die meisten Wasserstoffbrücken ausbauen, dies ist aber nicht der Fall. Das Optimum ist bei 4°C erreicht. Daher besitzt dort auch Wasser seine größte Dichte. Das kann man sich folgendermassen erklären: Die Strukturen die sich mit den Wasserstoffbrücken bilden, stellen Kristallgitter dar. Diese Gitter brauchen jedoch mehr Volumen als wenn die Moleküle frei sind. In Wasser über 4°C besteht Wasser aus einer sich dauernd neubildenden Mischung dieser Strukturen und einzelner Moleküle. Je höher die Temeperatur ist desto mehr Platz braucht jedes Molekül, entsprechend steigt das Volumen/ die Dichte nimmt ab. Wasser unter 4°C bildet jedoch zu grosse Gitter aus. Je kälter das Wasser wird desto grössere Strukturen bilden sich die mehr Volumen brauchen und schon sinkt die Dichte. Bei 3.98°C ist genau das Volumenoptimum erreicht in der Mischung aus gerade einzelnen Molekülen und Strukturen. Achtung viele meinen das wenn Wasser gefriert die Moleküle still stehen, dass stimmt absolut nicht, der Stillstand findet erst beim absoluten Nullpunkt statt (-273.15°C). In Eis bei -10°C bewegen sich die Atome also durchaus noch! Der Dichteunterschied zwischen 0°C und 4°C ist zwar relativ gering, aber dennoch gut messbar. Dies wird eben als Anomalie des Wassers bezeichnet, dass H20 bei 4°C seine höchste Dichte hat und nicht bei 0°C.
Wieso gefrieren Seen im Winter nicht zu? Wie man jetzt nun weiß, hat Wasser bei 4°C seine höchste Dichte. Das heisst, dass das 4°C warme Wasser ganz an den Grund des Sees sinkt und sich die kälteren Schichten oben befinden. Im Sommer befinden sich statt der kalten Schichten die Warmen oben. Dieser Effekt ist nicht nur im Winter für die Fische wichtig. Im Frühling und im Herbst gibt es eine Zeit, in der der ganze See in etwa die gleiche Temperatur hat. In dieser Zeit können sich alle Schichten durchmischen und es findet wichtige Umwälzungen von Nährstoffen und Sauerstoff statt ohne die Leben in grösseren Tiefen nicht möglich wäre.
Eine Frage bleibt jedoch noch. Wenn ich an der Oberfläche Eis habe, wieso gefriert dann das direkt darunter befindende Wasser nicht und dann wieder und wieder bis der ganze See bis zuunterst zufriert? Es gibt verschiedene Effekte die dafür sorgen. Zum einen gibt es die Erdwärme, die den See ganz leicht von unten wärmt. Der wichtigste Effekt sind jedoch die thermischen Schichten. Taucher kennen dies oftmals als Temperatursprung beim Ab-/Auftauchen. Das Wasser bildet sofern es ruhig ist Schichten mit verschiedenen Temperaturen. Also würde ein See der dauernd ganz leicht bewegt wird durchfrieren, Flüsse und Bäche sind da aber schon viel zu schnell.
Wir verdanken also das Überleben der Fische und Pflanzen in Gewässern und damit vielleicht sogar unsere Existenz einer physikalischen Anomalie des so alltäglichen Wassers.