Wieso hat Wasser bei 4°C seine größte Dichte?

134340 · Anmeldungsdatum: 27.05.2011 Beiträge: 85 Wohnort: Raccoon City

Wieso hat Wasser bei 4°C seine größte Dichte? Müsste es nicht im kristallinen Zustand also bei <0°C eine immer größere Dichte besitzen?

Keplerfan · Anmeldungsdatum: 19.05.2011 Beiträge: 252

Das liegt an der Kristallstruktur, in der es gefriert: Es bilden sich Sechsecke, die in der Mitte eine Lücke lassen. Diese Sechseckstruktur wird wohl auf dem Weg von 4 Grad nach 0 Grad immer ausgeprägter (und damit sinkt die Dichte), bis das Wasser schließlich gefriert.

Video: http://www.youtube.com/watch?v=gmjLXrMaFTg

134340 · Anmeldungsdatum: 27.05.2011 Beiträge: 85 Wohnort: Raccoon City

Achso und deswegen wird die Dichte dann Richtung −273,15°C wieder größer, weil sich die noch freien Wassermoleküle langsam alle an das Kristallgitter binden und somit dann die sechseckige Strucktur entsteht.

Die Frage die sich mir jetzt stellt: sind bei −273,15°C alle freien Wassermoleküle gebunden und im Kristallgitter verankert oder gibt es noch freie Wassermoleküle?

Keplerfan · Anmeldungsdatum: 19.05.2011 Beiträge: 252

Hallo,

damit kein Missverständnis entsteht, gezeigt ist im Video der Übergang von flüssigem Wasser zu Eis, also bei 0° C. Die Kristallstruktur ist die Kristallstruktur, die auch z.B. zu Eisblumen am Fenster führt.

Wenn die Temperatur nun weiter verringert wird, so zappeln die gebundenen Moleküle immer weniger innerhalb dieses Gitters herum. Daher wird ihre mittlere Entfernung voneinander immer geringer.

(Man kann sich das vielleicht anhand zweier Fußbälle vorstellen, die mit einem Gummiband verbunden sind: Wenn beide Bälle umhergetreten werden sind sie im Mittel weiter voneinander entfernt, als wenn sie einfach liegengelassen werden. Die Temperatur ist ein Maß für die Stärke dieses "Herumtretens".)

Einzelne Moleküle können bei Temperaturen überhalb des absoluten Nullpunkts im Prinzip immer Energien erhalten, die es ihnen ermöglicht, aus dem Kristallgitter auszubrechen. Das wird aber umso unwahrscheinlicher, umso tiefer die Temperatur sinkt. Am absoluten Nullpunkt gibt es schließlich nur noch den quantenmechanischen Tunneleffekt, der einem Molekül das Ausbrechen erlaubt. Auch hier ist es also im Prinzip möglich, aber sehr umwahrscheinlich.

134340 · Anmeldungsdatum: 27.05.2011 Beiträge: 85 Wohnort: Raccoon City

Danke für die Erklärung, der quantenmechanische Tunneleffekt war mir bisher zwar Unbekannt, aber ich habe mich gleich bei Wikipedia erkundigt, um was es sich dabei handelt.

Danke Thumbs up!

Günther · Anmeldungsdatum: 23.11.2010 Beiträge: 305

Die Dichteanomalie von Wasser beruht letztlich auf der anomal niedrigen Dichte von Eis. Im Kristallgitter von Eis sind die Moleküle aufgrund intermolekularer Kräfte (Dipol/Dipol und Wasserstoffbrückenbindungen) nicht dichtest möglich gepackt. Das Gitter enthält Hohlräume. Wenn Eis schmilzt, füllen sich die Hohlräume von noch vorhanden Clustern mit Wassermolekülen, sodaß die Dichte steigt und bei 4° ein Maximum erreicht. Bei weiterer Erwärmung überwiegt "normales" Verhalten und die Dicht nimmt ab.

134340 · Anmeldungsdatum: 27.05.2011 Beiträge: 85 Wohnort: Raccoon City

Demnach ist bei 4°C immernoch ein Eiskristallgitter vorhanden?

HellRaiser · Anmeldungsdatum: 04.06.2011 Beiträge: 19

Jein.
Kristallines, also gefrohrenes Wasser, bzw. die Elementarzellen des Kristallinen Zustandes hat von der Kristallstruktur her einen größeren Raumbedarf als Wasser bei c.a. 4°C. Das liegt an den sich ausbildenden Wasserstoffbrückenbindungen der Moleküle untereinander. Diese Strukturen brauchen mehr Platz im Raum, als die beweglichen Moleküle. Kühlt man Wasser ab, dann bilden sich schon im flüssigen Zustand Cluster, die schon eine Strukturierung der Moleküle darstellen. Bei 4°C haben diese Cluster die geringste räumliche Ausdehnung, also die größte Dichte.
Sinkt die Temperatur jetzt noch weiter ab, bilden sich "feste" Strukturen, die mehr Volumen als die Cluster einnehmen.
So hab ich das mal verstanden...

134340 · Anmeldungsdatum: 27.05.2011 Beiträge: 85 Wohnort: Raccoon City

Demnach sind schon bei 4°C Cluster im Wasser enthalten. Die Frage die sich mir jetzt stellt, ab wann bezeichnet man Wasser als gefroren bzw. ab wann ist es fest? Erst ab 0°C?

Günther · Anmeldungsdatum: 23.11.2010 Beiträge: 305

Bei 0° und Normaldruck hat man ein aus Eis und Wasser bestehendes Schmelzgleichgewicht vorliegen.
Im Übrigen ist es egal, ob man sich den 4° von oben (Hellraiser) oder von unten nähert. Denn wir sprechen über Temperaturgleichgewichte.

HellRaiser · Anmeldungsdatum: 04.06.2011 Beiträge: 19

Stellt sich bei 0°C immer ein GGW ein? D.h. wenn ich nen Eimer Wasser bei exakt 0°C unendlich lange aufbewahren würde, es würde nie alles komplett gefrieren?

Günther · Anmeldungsdatum: 23.11.2010 Beiträge: 305

Man kann sich das so vorstellen:

Man gebe zu Eis kaltes Wasser. Dann schmilzt ein Teil des Eises, bis das Wasser auf 0° abgekühlt ist. So entsteht ein Schmelzgleichgewicht von Wasser und Eis bei 0° C. Dieses Gleichgewicht läßt sich nun durch Zu- oder Abfuhr von Wärme zu einem niedrigerem oder höherem Anteil von Eis in der Mischung verschieben.
Wasser bei 0° ist also ein Grenzfall. Es gefriert dann, wenn Wärme entzogen wird, vorausgesetzt es sind Kristallisationskeime vorhanden.

Mit Quantenphysik hat das alles allerdings wenig zu tun.

134340 · Anmeldungsdatum: 27.05.2011 Beiträge: 85 Wohnort: Raccoon City

Ok, danke für die vielen Erklärungen.

HellRaiser · Anmeldungsdatum: 04.06.2011 Beiträge: 19