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Anomalie des Wassers

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Team Wissensdurst
Anomalie des Wassers
lernst du in der Unterstufe 3. Klasse - 4. Klasse

Grundlagen zum Thema Anomalie des Wassers

Inhalt

Anomalie des Wassers – Chemie

Eiswürfel schwimmen in einem Getränk oben. Das ist für uns ganz normal. Eigentlich bildet Wasser aber damit eine seltene Ausnahme. Gefrorenes Öl sinkt zum Beispiel in einem Glas mit flüssigem Öl auf den Boden. Das ist so, weil sich in dem Feststoff pro Volumeneinheit mehr Teilchen befinden als in der Flüssigkeit. Und beim Wasser? Wasser unterscheidet sich mit dieser Eigenschaften von fast allen anderen Flüssigkeiten. Gefrorenes Wasser schwimmt auf dem flüssigen Wasser. Damit befinden sich in einem Kubikzentimeter Eis weniger Teilchen als in einem Kubikzentimeter Wasser. Die Dichte von Eis ist also geringer als beim flüssigen Wasser. Das ist kein normal-thermisches Stoffverhalten und wird deswegen als Anomalie des Wassers bezeichnet. Das schauen wir uns nun noch ein bisschen genauer an.

Was ist die (Dichte-)Anomalie des Wassers? – Definition

Einfach erklärt wird mit der Anomalie des Wassers ein Phänomen bezeichnet, bei dem Wasser bei einer Temperatur von vier Grad die größte Dichte und das kleinste Volumen besitzt. Wasser, das kälter oder wärmer als vier Grad ist, hat eine geringere Dichte. Demnach ist vier Grad kaltes Wasser am schwersten im Vergleich zu Wasser jeder anderen Temperatur. Doch was ist die Ursache der Dichteanomalie des Wassers?

Dichteanomalie des Wassers – Erklärung

In flüssigem Wasser befinden sich Wassermoleküle, die sich bewegen und immer wieder gegenseitig kurz anziehen. Diese Anziehung findet über Wasserstoffbrückenbindungen statt. Im warmen Wasser ist die Bewegungsenergie hoch, während sie im kalten Wasser geringer wird. Bei kleiner werdender Bewegungsenergie halten die Wasserstoffbrückenbindungen länger an. Gefriert das Wasser, bleiben die Wassermoleküle nur noch auf der Stelle und ordnen sich in einem energetisch günstigen Zustand an – sie bilden eine Gitterstruktur aus. Durch sie benötigt die Struktur im festen Zustand mehr Raum als bei beweglichen Molekülen. Beim Gefrieren dehnt sich das Wasser folglich aus.

Im folgenden Bild kannst du sehen, dass die Wassermoleküle im Eis durch die regelmäßige Anordnung mehr Platz benötigen. Im kalten Wasser sind die Wassermoleküle am dichtesten – das Wasser besitzt hier die größte Dichte. Im warmen Wasser benötigen die Wassermoleküle wieder etwas mehr Platz – die Dichte von Wasser nimmt ab.

Wassermoleküle Platz im gefrorenen, warmen und kaltem Wasser

Was bedeutet Anomalie des Wassers? – Beispiele

In der folgenden Tabelle kannst du die Dichte $\Rho$ von Wasser in Abhängigkeit von der Temperatur $T$ bei Normaldruck ($\pu{1 013 hPa})$ sehen. Die Dichte von Eis bei einer Temperatur von null Grad ist deutlich geringer als die Dichte von Wasser bei null Grad. Das ist der Grund, warum Eis auf Wasser schwimmt. Die größte Dichte besitzt Wasser bei einer Temperatur von vier Grad.

$T$ in $\pu{°C}$ $\rho$ in $\pu{kg//m3}$ $T$ in $\pu{°C}$ $\rho$ in $\pu{kg//m3}$
0 (Eis) 920 35 994,029
0 (Wasser) 999,84 40 992,212
1 999,899 45 990,208
2 999,94 50 988,03
3 999,964 55 985,688
4 999,972 60 983,191
5 999,964 65 980,546
6 999,94 70 977,759
7 999,901 75 974,837
8 999,848 80 971,785
9 999,781 85 968,606
10 999,699 90 965,304
20 998,203 95 961,883
25 997,043 100 958,345
30 995,645

Bedeutung der (Dichte-)Anomalie des Wassers – Beispiel See

Die Anomalie des Wassers hat in der Natur eine große Bedeutung. Das Leben der Tiere und Pflanzen ist daran angepasst. In einem See befindet sich das vier Grad kalte Wasser immer unten am Grund des Sees, da es mit der größten Dichte am schwersten ist.

Im Sommer wird die Wasseroberfläche des Sees erwärmt. In der Tiefe des Sees ist das Wasser kälter. Diesen Versuch der Anomalie des Wassers kannst du das nächste Mal beim Baden in einem See leicht selbst durchführen. Oben an der Oberfläche ist das Wasser schön warm, doch taucht man etwas ab, wird das Wasser deutlich kühler.

Das Wasser kühlt sich im Herbst ab. Es wird durch Strömungen durchmischt. Dadurch ergibt sich im See ein Temperaturausgleich.

Im Winter – wenn es kälter wird – kann die Wasseroberfläche zufrieren. Da das vier Grad kalte Wasser nach unten sinkt, beginnt der See, von oben nach unten zu gefrieren. Ist der See tief genug, bildet sich nur an der Oberfläche eine Eisschicht. In der Tiefe befindet sich dann das vier Grad kalte, aber flüssige Wasser. Der Vorteil der Anomalie des Wassers ist, dass dadurch nicht der ganze See zufriert. Pflanzen und Tiere im See können also auch im Winter unter der Eisfläche überleben.

Das Wasser wird im Frühjahr wieder erwärmt. Es findet wieder eine Durchmischung statt.

Im folgenden Bild kannst du die verschiedenen Temperaturzonen eines Sees im Sommer und im Winter sehen. Das vier Grad kalte Wasser ist am schwersten und befindet sich immer am Grund des Sees.

Diagramm Phasen Anomalie des Wassers am See

Dieses Video

In diesem Video lernst du, was man unter der Anomalie des Wassers versteht. Wasser verhält sich anders als andere Flüssigkeiten und hat seine größte Dichte bei einer Temperatur von vier Grad. Da sich die Wassermoleküle beim Gefrieren energetisch günstig in einer Gitterstruktur anordnen, dehnt sich gefrorenes Wasser aus. Es nimmt mehr Volumen ein und hat eine geringere Dichte. Deswegen schwimmt Wasser auf Eis.

Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben und Arbeitsblätter zu dem Thema (Dichte-)Anomalie des Wassers, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!

Transkript Anomalie des Wassers

Flüssiges Wasser nimmt in einem Behältnis einen bestimmten Raum ein. Es besteht aus Wassermolekülen, die sich frei bewegen. Aufgrund ihrer Teilladungen ziehen sie sich dabei immer wieder gegenseitig an und bleiben kurzzeitig aneinanderhängen. Die Bindungen nennt man „Wasserstoffbrückenbindungen“. Sie gehen aber immer wieder auseinander, weil die Wassermoleküle eine hohe Bewegungsenergie besitzen. Kühlt das Wasser ab, wird die Bewegungsenergie weniger und die Bindungen bleiben länger bestehen. Schließlich schwingen die Teilchen nur noch auf der Stelle. Der energetisch günstigste Zustand für die Wassermoleküle ist dabei eine regelmäßige Anordnung, ein Gitter. Das Wasser wird fest, es entsteht Eis. Wenn wir jetzt die Moleküle im Eis, mit den Molekülen im flüssigen Zustand vergleichen, sehen wir, dass die Wassermoleküle im Eis mehr Platz einnehmen. Wasser dehnt sich beim Gefrieren also aus. Das kann die Flasche sprengen. Und es können wunderschöne Formen gebildet werden, wie diese Eisblumen. Es kann sogar noch mehr. Wenn Wasser gefriert, schwimmt es auf flüssigem Wasser. Das scheint uns ganz normal, ist aber bei fast keinem anderen Stoff so. Friert man Olivenöl ein und wirft den Würfel in flüssiges Olivenöl, sinkt der Feststoff ab. Schokoladenstücke sinken in der geschmolzenen Schokolade ab. Bei fester Schokolade und bei gefrorenem Öl findet man in einem Feststoff pro Raumteil mehr Teilchen, als im gleichen Raumteil Flüssigkeit. Im Feststoff liegen die Teilchen in höherer Dichte beieinander, als in der Flüssigkeit. Die festen Stoffe sinken ab. Nur im Wassereis findet man in einem Kubikzentimeter Eis weniger Teilchen, als in einem Kubikzentimeter flüssigem Wasser. Gefrorenes Wasser hat also eine geringere Dichte, als die Flüssigkeit. Diese sogenannte „Dichteanomalie“, unterscheidet das Wasser von fast allen anderen Stoffen und lässt Eis auf dem Wasser schwimmen. Und die Wasserflasche platzen.

3 Kommentare

3 Kommentare
  1. Tolles Video!

    Von Rami S., vor etwa 2 Jahren
  2. Dankeee!!

    Von Anna S., vor mehr als 3 Jahren
  3. Super gemacht, jetzt weiß ich auch, warum es immer so'ne Wassereisschicht gibt, wenn z.B. Apfelsaft oder Orangensaft einfriert.

    Von Juliane Viola D., vor etwa 6 Jahren

Anomalie des Wassers Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Anomalie des Wassers kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe die Dichteanomalie des Wassers.

    Tipps

    In der Physik oder Chemie bezeichnet eine Anomalie ein von der Erwartung abweichendes Verhalten.

    Viele Feststoffe sinken in einer Flüssigkeit zu Boden wie Sand in einem Fluss. Andere Stoffe wie Holz schwimmen auf dem Wasser.

    Dies liegt an der unterschiedlichen Dichte der Stoffe.

    So verhält sich der Feststoff Eis in der Flüssigkeit Wasser. Beide bestehen aus dem Stoff Wasser.

    Lösung

    Wasser ist ein besonderer Stoff. Wasser ist nicht nur notwendig für das Überleben auf der Erde, es ist auch ein Stoff, der mit allen Erwartungen bricht.

    Wasser ist zudem ein Dipol, besitzt also einen positiven und einen negativen Pol. Daher reagiert es auch sehr stark auf ein elektrisches Feld in seiner Nähe.

    Die allermeisten Stoffe, die aus so kleinen Molekülen bestehen, sind bei Raumtemperatur schon längst gasförmig, wie zum Beispiel Kohlenstoffdioxid.

    Wasser ist aber bei Raumtemperatur noch flüssig. Dies liegt daran, dass es in der Lage ist Wasserstoffbrückenbindungen auszubilden, diese stabilisieren die flüssige Phase eines Stoffes.

    Diese Wasserstoffbrückenbindungen sind auch für die Dichteanomalie des Wassers verantwortlich. In einem Eiskristall sorgen die Wasserstoffbrückenbindungen dafür, dass die Wassermoleküle einen größeren Abstand einnehmen müssen, als dies in der Flüssigkeit der Fall wäre. Wasser hat daher bei ca. 4 °C seine höchste Dichte.

    Neben Wasser gibt es auch bei einigen Metallen wie Gallium eine Dichteanomalie.

  • Stelle dar, wie sich die Wasserteilchen bei unterschiedlicher Temperatur verhalten.

    Tipps

    Mit steigender Temperatur bewegen sich die Wassermoleküle immer schneller.

    Durch die schnellere Bewegung brauchen die Wassermoleküle immer mehr Platz.

    In einem Feststoff, wie auch Eis einer ist, bilden die Moleküle eines Stoffes meist eine regelmäßige Struktur aus.

    Lösung

    Im Feststoff Eis befinden sich die Wassermoleküle an einem festen Platz in einer gitterartigen Struktur. An diesem Platz schwingen sie hin und her, bis sie am Gefrierpunkt von 0 °C genug Energie besitzen die Struktur zu verlassen.

    Als flüssiges Wasser können sich die Wassermoleküle freier im Raum bewegen, aber auch hier gehen sie vorübergehend immer wieder Wasserstoffbrückenbindungen miteinander ein, auch wenn diese nicht von Dauer sind. Je wärmer das Wasser ist, desto schneller sind die Wassermoleküle und desto häufiger stoßen sie aneinander. Dies sorgt dafür, dass sich die Wassermoleküle viel weiter verteilen. So werden auch die Wasserstoffbrückenbindungen immer seltener.

    Beim Siedepunkt von Wasser von 100 °C haben dann viele Wassermoleküle bereits eine so hohe Geschwindigkeit, dass sie vollkommen losgelöst von den anderen Molekülen in Form von Wasserdampf ihre Bewegung fortsetzen.

  • Erkläre, wie die Zierfische im Gartenteich den Winter überstehen.

    Tipps

    Der Gefrierpunkt von Wasser liegt bei 0 °C.

    Lösung

    Ein Teich bietet vielen Lebewesen einen Lebensraum. Auch Fische leben häufig im Teich.

    Jede Tierart hat eigene Techniken, um einen Winter als Art zu überstehen. Während adulte Mücken und Libellen meist im Herbst sterben, überleben ihre Larven in Winterstarre im Wasser.

    Die Fische fallen jedoch nicht in Winterstarre, sie sammeln sich am Grund des Teiches, da dort die Temperatur des Wassers, wegen seiner hohen Dichte bei 4 °C, stagniert. Dies funktioniert aber nur, wenn der Teich tief genug ist. Tiefe Gartenteiche erkennst du häufig daran, dass der Garten oder der Teich selbst von einem Zaun umgeben ist, dies soll verhindern, dass jemand in den Teich stürzt und darin ertrinkt.

  • Bestimme die wichtigsten Werte für Wasser bei Normaldruck.

    Tipps

    Die Eckpunkte der Celsius-Skala orientieren sich am Wasser.

    Welcher Aggregatzustand von Wasser hat die niedrigere Dichte - fest oder flüssig?

    Sieden ist ein schneller Wechsel des Aggregatzustands eines Stoffes von flüssig zu gasförmig.

    Lösung

    Es gibt Stoffeigenschaften, die du von Anfang an als Zahlenwerte lernen solltest. Dazu gehört auch die Dichte eines Stoffes. Diese ist bei flüssigem Wasser näherungsweise $1 \frac{g}{cm^3}$.

    Auch den Schmelz- und Siedepunkt von Wasser sollte man kennen. Für Wasser gilt, dass es bei Normaldruck bei 0 °C zu Eis gefriert und Eis bei der gleichen Temperatur anfängt zu schmelzen. Zudem verdampft Wasser bei Normaldruck bei 100 °C und Wasserdampf kondensiert bei der gleichen Temperatur. Bei 4 °C hat Wasser seine größte Dichte.

  • Gib die Summenformel des Wassers an.

    Tipps

    Sauerstoff besitzt das Elementsymbol O, Wasserstoff das Elementsymbol H, Schwefel das Elementsymbol S und Wolfram das Elementsymbol W.

    Lösung

    Das Wassermolekül besteht aus dem Element Wasserstoff und dem Element Sauerstoff.

    Es setzt sich aus zwei Atomen Wasserstoff und einem Atom Sauerstoff zusammen. Die Anzahl an Atomen in einem Molekül wird mit einer tiefgestellten Zahl hinter dem entsprechenden Element angegeben. Die Anzahl eins lässt man für die Übersichtlichkeit einfach weg.

    Daher hat Wasser die Summenformel $H_2O$.

  • Prüfe die Aussagen zum Anstieg des Meeresspiegels durch die Erderwärmung.

    Tipps

    Wenn du dein randvolles Getränk mit Eiswürfeln vergessen solltest, brauchst du dir keinerlei Sorgen zu machen, dass das Glas überläuft.

    Gletscher sind Eismassen, die sich über Land bewegen. Sie wachsen zumeist in einer Eiszeit und tauen in Wärmeperioden ab.

    Im Nordpolarmeer befindet sich hauptsächlich Treibeis, dieses schwimmt auf dem Meer wie ein Eiswürfel in deinem Getränk.

    Die Antarktis ist unser südlichster Kontinent. Er ist eine Landmasse, die unter einer dicken Eisschicht verborgen liegt. Bis auf einzelne Forschungsstationen gibt es keine von Menschen permanent bewohnte Orte.

    Lösung

    Die Dichteanomalie des Wassers sorgt dafür, dass Eis auf dem Wasser schwimmt. Dabei verdrängt ein Eisberg, der im Wasser schwimmt, genau die gleiche Menge Wasser, die er auch komplett geschmolzen einnehmen würde. Das erhöhte Volumen des Eisbergs ragt nämlich aus dem Wasser heraus. Da sich die Dichte des Eises nicht sehr stark vom Wasser unterscheidet, befindet sich auch der größte Teil des Eisberges unter Wasser. Damit tragen jedoch Eismassen, die im Wasser herumtreiben, nicht zum Anstieg des Meeresspiegels bei.

    Das Festlandeis jedoch verdrängt im festen Zustand keinerlei Wasser, sodass dieses Schmelzwasser sehr wohl zum Anstieg des Meeresspiegels beiträgt.

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