Die Anomalie des Wassers

Wasser hat mehrere außergewöhnliche Eigenschaften, die es von anderen Flüssigkeiten unterscheiden. Eine davon ist seine so genannte Dichte-Anomalie.

Das Verhalten von Wasser bei unterschiedlichen Temperaturen

Normalerweise dehnen sich Stoffe aus, wenn sie erwärmt werden. Wenn man aber Wasser von 0°C aus erwärmt, stellt man etwas Merkwürdiges fest: Das Volumen der Flüssigkeit wird zunächst nicht größer, sondern kleiner! Bis zur Temperatur von 4°C zieht sich das Wasser bei der Erwärmung zusammen. Erst darüber beginnt es sich mit steigender Temperatur wie andere Flüssigkeiten wieder auszudehnen.
Das bedeutet, dass Wasser bei 4°C eine größere Dichte als bei jeder anderen Temperatur hat.

Warum braucht Eis mehr Platz als kaltes Wasser?

Beim Abkühlen unter 4°C dehnt sich Wasser aus; wenn es bei 0°C gefriert, vergrößert sich das Volumen noch einmal. Dieses ungewöhnliche Verhalten hat mit der Struktur von festem und flüssigem Wasser zu tun: In der Flüssigkeit können sich die Moleküle ziemlich frei bewegen, im Eis dagegen ordnen sie sich in einer regelmäßigen Struktur mit großen Hohlräumen an, die mehr Platz benötigen.

Weil Eis deshalb eine kleinere Dichte als Wasser hat, schwimmt es auf der Wasseroberfläche. Das kennt man von Eiswürfeln in einem Getränk oder auch von den Eisbergen, die im Meer treiben.

Die Anomalie bestimmt das Leben auf der Erde!

Nur dank der Anomalie des Wassers können Fische in stehenden Gewässern den Winter überleben! Da Wasser mit 4°C schwerer ist als kälteres Wasser, sinkt es nach unten. Auf dem Grund des Sees ist es daher wärmer als an der Oberfläche, ganz oben ist es am kältesten. Deshalb beginnt der See von oben nach unten zuzufrieren, während unter der Eisdecke die wärmeren Wasserschichten in der Tiefe nur sehr langsam abkühlen und flüssig bleiben. Dort können die Wassertiere überwintern. Würden die Gewässer aber von unten nach oben zufrieren, wäre bald das gesamte Wasser gefroren und die Fische hätten keine Chance zu überleben!

Die Anomalie des Wassers macht sich aber auch unangenehm bemerkbar:

Wenn Wasser in einem geschlossenen Gefäß eingeschlossen ist, dehnt es sich beim Gefrieren trotzdem aus und kann dabei so gewaltige Kräfte entwickeln, dass es das Gefäß sprengt. In Gesteinsritzen eingedrungenes Wasser kann sogar Felsen spalten und spielt damit eine wichtige Rolle bei der Verwitterung. Auf die gleiche Weise entstehen Frostaufbrüche in Straßen, wenn Wasser in Ritzen des Straßenbelags eindringt und gefriert. In Wasserrohren muss verhindert werden, dass das Wasser darin im Winter friert, da sonst die Rohre platzen.