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Dichteanomalie des Wassers

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Team Digital
Dichteanomalie des Wassers
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Grundlagen zum Thema Dichteanomalie des Wassers

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 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.

1 Kommentar
1 Kommentar
  1. Das hat mir sehr bei meiner Hausaufgabe geholfen, Danke :).
    Jetzt verstehe ich es auch!

    Von Vici ;), vor 8 Monaten

Dichteanomalie des Wassers Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Dichteanomalie des Wassers kannst du es wiederholen und üben.
  • Zeige auf, was beim Erwärmen und Abkühlen von Stoffen passiert.

    Tipps

    Bei höheren Temperaturen bewegen sich die Teilchen eines Stoffes stärker.

    Jeder Abbildung werden zwei Aussagen zugeordnet.

    Lösung

    Die Dichte von Wasser beträgt bei Raumtemperatur ziemlich genau $1,\!00 \pu{{kg}//{\ell}}$. 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. Dabei verteilt sich dieselbe Teilchenmasse auf ein größeres Volumen und ist damit weniger dicht gepackt.


    Bei höheren Temperaturen gilt also:

    • Die Stoffe dehnen sich aus.
    • Das Volumen nimmt zu.
    • Die Dichte nimmt ab.

    Wenn ein Stoff nun abkühlt, ist genau der umgekehrte Effekt zu beobachten.
    Bei niedrigeren Temperaturen gilt also:

    • Die Stoffe ziehen sich zusammen.
    • Das Volumen nimmt ab.
    • Die Dichte nimmt zu.

  • Gib die Besonderheit der Dichte von Wasser an.

    Tipps

    Die Dichte von Wasser verändert sich, wenn das flüssige Wasser zu Eis wird.

    Ein Eiswürfel, also festes Wasser, schwimmt in flüssigem Wasser.

    Lösung

    Eine Sache fällt beim Wasser auf: Aufgrund seiner molekularen Struktur dehnt Wasser sich beim Erstarren aus. Es hat also im gefrorenen Zustand eine geringere Dichte als das flüssige Wasser. Das erkennst du ganz einfach daran, dass Eiswürfel im Wasser schwimmen und nicht – wie Schokoladenstücke in flüssiger Schokolade – untergehen.

    Somit ist die Dichte eine besondere Eigenschaft des Wassers. Man nennt das Phänomen auch Dichteanomalie.
    Die Dichte beschreibt das Verhältnis von Masse zu Volumen eines Stoffes. Sie bleibt immer gleich, egal welche Menge wir betrachten. Deshalb ist sie eine Stoffkonstante.

  • Beschreibe, wie sich die Dichte von Wasser mit der Temperatur verändert.

    Tipps

    Die Dichte von Wasser ist im festen Zustand geringer als im flüssigen.

    Drei Antwortmöglichkeiten bleiben übrig.

    Lösung

    Die Dichte von Wasser ändert sich mit der Temperatur.

    Wasser verhält sich beim Erwärmen wie andere Stoffe: Es dehnt sich aus und die Dichte wird dadurch geringer. Bei $80\,\pu{°C}$ hat Wasser eine Dichte von $\pu{0,97 kg//{\ell}}$.

    Die Dichte steigt, wenn das Wasser kühler wird. Im Diagramm erkennt man, dass die Dichte von Wasser bei $4\,\pu{°C}$ am höchsten ist. Sie beträgt hier ziemlich genau $\boldsymbol{\pu{1,0 {\textbf{kg}}//{\boldsymbol{\ell}}}}$.

    Bei $0\,\pu{°C}$, also wenn das Wasser zu Eis erstarrt, sinkt die Dichte stark ab auf $\boldsymbol{\pu{0,9 \textbf{kg}//{\boldsymbol{\ell}}}}$.

    Dieses ungewöhnliche Verhalten wird Dichteanomalie des Wassers genannt.

  • Erkläre die Dichteanomalie von Wasser.

    Tipps

    Schmilzt geforenes Wasser, verringern sich die Wasserstoffbrücken zwischen den Wassermolekülen.

    Jeder Abbildung werden fünf Aussagen zugeordnet.

    Lösung

    Wie können wir die Dichteanomalie von Wasser erklären?

    Das hat mit der Kristallstruktur von Eis zu tun, also damit, wie die Wassermoleküle angeordnet sind, wenn sie im gefrorenen Zustand an festen Plätzen sitzen.
    Diese Besonderheit von Wasser liegt an den speziellen Anziehungskräften, den 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 $0\,\pu{°C}$, bilden sich dadurch sechseckige Anordnungen, bei denen die Wassermoleküle zwar auf festen Plätzen sitzen, jedoch eben weiter auseinanderliegen als im flüssigen Wasser. Sie bilden Hohlräume. Dadurch entsteht die typische Kristallstruktur von Eis, die durch stabile Wasserstoffbrücken ermöglicht wird.
    In flüssigem Wasser lösen sich diese Sechsecke dann schon bei leicht höheren Temperaturen aufgrund der erhöhten Bewegungsenergie der Wassermoleküle wieder auf, was die Moleküle zusammenrücken lässt. Das Lösen der Wasserstoffbrücken führt dazu, dass die Moleküle sich relativ frei bewegen und näher beieinanderliegen, als das in einem Eiskristall der Fall ist.
    Deshalb erreicht Wasser bei $4\,\pu{°C}$ die größte Dichte, bevor sich die Moleküle wieder voneinander entfernen.

  • Gib die Dichte von Wasser und Eis in einem gefrorenen See an.

    Tipps

    Bei $4\,\pu{°C}$ hat Wasser seine größte Dichte.

    Lösung

    Bei einem Gewässer im Freien sinkt das Wasser nach unten, wenn es auf $4\,\pu{°C}$ 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 $4\,\pu{°C}$ am Grund.

    Wasser erreicht bei $4\,\pu{°C}$ seine größte Dichte: $\boldsymbol{\pu{1,0 {\textbf{kg}}//{\boldsymbol{\ell}}}}$. Sinkt die Temperatur weiter auf $0\,\pu{°C}$ ab, fällt auch die Dichte wieder ab. Sie beträgt dann nur noch $\boldsymbol{\pu{0,9 \textbf{kg}//{\boldsymbol{\ell}}}}$.

  • Überlege, wie du im Winter Wasserrohre im Garten vor dem Platzen schützt.

    Tipps

    Fällt die Temperatur im Winter unter $4\,\pu{°C}$, sinkt die Dichte von Wasser deutlich.

    Eine Antwort ist falsch.

    Lösung

    Vielleicht ist dir schon einmal aufgefallen, dass deine Eltern oder Großeltern im Winter das Wasser im Garten abstellen und den Wasserhahn anschließend öffnen. Warum machen sie das?

    Mit deinem Wissen über die Dichteanomalie von Wasser kannst du dir ganz leicht herleiten, wie du Wasserleitungen im Garten bei frostigen Temperaturen vor dem Platzen schützt.

    Am besten schützt du sie, wenn kein Wasser in der Leitung ist. Denn bei frostigen Temperaturen würde das gefrorene Wasser sonst die Leitungen zum Platzen bringen. Das liegt daran, dass gefrorenes Wasser durch seine besondere Kristallstruktur mehr Raum als flüssiges Wasser benötigt.
    Aber Wasser abstellen allein reicht natürlich nicht, da sonst Restwasser in der Leitung bleibt. Also ist der geöffnete Wasserhahn sinnvoll, um das Platzen zu verhindern.
    Bleibt der Winter mild und fällt die Temperatur nicht unter $4\,\pu{°C}$, bleiben deine Eltern beziehungsweise Großeltern meist entspannt. Denn die Kristallstruktur von Wasser, die durch ihre Hohlräume mehr Platz benötigt als flüssiges Wasser, bildet sich ja erst unter $4\,\pu{°C}$.
    Manchmal überrascht der Winter allerdings doch mit frostigen Nächten ... Dann heißt es wohl: Wasserleitung reparieren!