Dichteanomalie des Wassers

Für diese Robbe hier ist es vielleicht gerade nicht so schön, aber generell ist es für Meeresbewohner ganz gut, dass das Meer von OBEN zufriert. Das erscheint erstmal völlig normal, aber müsste das Wasser nicht eigentlich UNTEN kälter sein? Da kommt doch weniger Sonne hin! Warum das eben NICHT so ist, liegt an der "Dichteanomalie des Wassers" – und darum geht's in diesem Video. Wasser bedeckt ungefähr siebzig Prozent der Erdoberfläche. Es ist die Grundlage allen Lebens auf der Erde. Das hat auch mit den besonderen Eigenschaften des Wassers zu tun, zum Beispiel seiner DICHTE. Die beträgt bei Raumtemperatur ziemlich genau EIN Kilogramm pro Liter. Wie du vielleicht weißt, ist die Dichte von Stoffen von der Temperatur abhängig. Bei höheren Temperaturen bewegen sich die Teilchen eines Stoffes stärker, benötigen deshalb mehr Raum und stehen weiter auseinander. Das führt dazu, dass sich Stoffe bei Erwärmung AUSDEHNEN, das Volumen also ZUNIMMT. Die DICHTE nimmt damit aber AB, denn jetzt ist ja DIESELBE Teilchen-Masse auf ein GRÖẞERES Volumen verteilt, also weniger dicht gepackt. Das ist auch bei Wasser so: Wenn wir "einhundert Milliliter" von zwanzig auf achtzig Grad Celsius erwärmen, können wir immerhin eine Volumenzunahme um fast "drei Milliliter" messen, was auf eine etwas KLEINERE Dichte zurückzuführen ist. Wenn ein Stoff nun ABKÜHLT, ist genau der umgekehrte Effekt zu beobachten. Die Teilchen rücken näher zusammen, das Volumen nimmt AB, denn die Dichte nimmt ZU. Beim "Erstarren", also wenn ein flüssiger Stoff FEST wird, wird folglich bei den allermeisten Stoffen die Dichte GRÖẞER. Der Stoff hat dann als Festkörper eine höhere Dichte als im flüssigen Zustand. Deshalb versinken Schokoladenstückchen in flüssiger Schokolade, und feste Butter geht in geschmolzener unter. Das kannst du ja mal zu Hause ausprobieren. Was du aber sicher von zu Hause kennst: Wasser im FESTEN Zustand, also Eis, geht NICHT unter. Die Dichte von Eis muss also GERINGER sein als die von FLÜSSIGEM Wasser. Das können wir mit einem "Diagramm" nachvollziehen. Hier ist dargestellt, wie sich die Dichte von Wasser mit der Temperatur verändert. Sie steigt zwar an, wenn das Wasser kühler wird, erreicht aber bei ziemlich genau VIER Grad Celsius ihren höchsten Wert, und wird dann wieder KLEINER. Bei null Grad Celsius, also wenn das Wasser zu Eis erstarrt, sinkt die Dichte noch viel stärker ab. Um das korrekt darzustellen, müssen wir die Skalierung unseres kleinen Auschnittes der Y-Achse auf einen größeren Bereich ausweiten. Dieses ungewöhnliche Verhalten wird die "Dichteanomalie" des Wassers genannt. Wie können wir nun dieses "anomale" Verhalten erklären? Es hat mit der "Kristallstruktur" von Eis zu tun, also damit, wie die Wassermoleküle angeordnet sind, wenn sie im gefrorenen Zustand an festen Plätzen sitzen. In FLÜSSIGEM Wasser sind die Moleküle zwar relativ frei beweglich und können aneinander vorbeigleiten, sie liegen aber trotzdem NÄHER beieinander, als das in einem "Eiskristall" der Fall ist. Diese Besonderheit von Wasser liegt an den speziellen "Anziehungskräften", die innerhalb und zwischen den Molekülen herrschen. Einerseits werden "Wasserstoff-" und "Sauerstoff-Atome" durch sogenannte "kovalente Bindungen", zu einem Wasser-Molekül zusammengehalten. Andererseits gibt es auch "WasserstoffBRÜCKENbindungen", die über mehrere Moleküle hinweg wirken. So können sich kleine Gruppen und Netzwerke von Wassermolekülen ausbilden. Bei Eis, aber in gewissem Ausmaß auch ÜBER Null Grad Celsius, bilden sich dadurch "sechseckige Anordnungen", bei denen die Wassermoleküle zwar auf festen Plätzen sitzen, aber eben weiter auseinander liegen. Diese Sechsecke lösen sich dann schon bei leicht höheren Temperaturen wieder auf, was die Moleküle zusammenrücken lässt. Deshalb erreicht Wasser bei VIER Grad Celsius die GRÖẞTE Dichte, bevor sich die Moleküle wieder voneinander entfernen. Bei einem Gewässer im Freien sinkt deshalb das Wasser nach UNTEN, wenn es auf vier Grad abkühlt, während sich WEITER abgekühlte Schichten oben halten, und das Wasser schließlich an der Oberfläche gefriert. Zumindest bei tieferen Gewässern hält sich so eine Temperatur von vier Grad Celsius am Grund. Und so können die Fische auch die KÄLTESTEN Winter überleben, sogar in der Arktis. À propos Arktis: Oft ist die Rede davon, dass man "nur die SPITZE des Eisberges" sehen könne. Wie das gemeint ist, erklärt die Dichte: Sie liegt nämlich bei Eis um circa ZEHN Prozent unter dem Wert von Wasser. Das führt dazu, dass sich ZEHN Prozent des Eisvolumens ÜBER Wasser halten können, während NEUNZIG Prozent UNTER der Wasseroberfläche schwimmen. Dazu eine knifflige Frage: STEIGT der Wasserspiegel, wenn der schwimmende Eisberg schmilzt? Oder fällt er vielleicht sogar? Pausiere kurz das Video und denk darüber nach, oder untersuch' es selbst mit einem Eiswürfel im Wasserglas. Die Lösung folgt nach der "Zusammenfassung". Anders als die meisten Stoffe dehnt sich Wasser AUS, wenn es ERSTARRT. Die Wassermoleküle liegen beim Eis weniger dicht beieinander, als im flüssigen Aggregatzustand. Wasser hat deshalb im FESTEN Zustand eine GERINGERE Dichte als im flüssigen, und die HÖCHSTE Dichte erreicht es bei VIER Grad Celsius. Dieses Verhalten nennt man die "Dichteanomalie" des Wassers. Dank ihr frieren Gewässer von OBEN zu, was den Fischen das Überleben sichert, vorausgesetzt wir lassen sie da unten in Ruhe. Und jetzt noch wie versprochen zum Eisberg: Das Eis zieht sich zusammen und wird dichter, wenn es schmilzt. Das Volumen des SCHMELZwassers ist dann genau um DIE zehn Prozent kleiner, die zuvor noch über die Wasseroberfläche ragten. Das Schmelzwasser hat damit das gleiche Volumen wie die zuvor vom Eisberg verdrängte Wassermenge, deshalb ändert sich am Wasserspiegel insgesamt NICHTS. Ganz anders sieht das allerdings aus, wenn sich schmelzendes Eis an LAND befindet und von DORT ins Meer fließt. Das passiert zum Beispiel auf "Grönland" in großem Ausmaß, was den Meeresspiegel der Ozeane am Ende DOCH steigen lässt.