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Phasendiagramm des Wassers

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Götz Vollweiler
Phasendiagramm des Wassers
lernst du in der Oberstufe 8. Klasse - 9. Klasse

Grundlagen zum Thema Phasendiagramm des Wassers

Inhalt

Phasendiagramm von Wasser – Chemie

Wasser ist ein unverzichtbarer Stoff auf unserer Erde: Es ist das wichtigste Grundnahrungsmittel, etwa 71 Prozent der Erdoberfläche ist von Wasser bedeckt und der menschliche Körper eines Erwachsenen besteht aus ungefähr 70 Prozent Wasser. Wasser besitzt außerdem eine ganz besondere Eigenschaft in Bezug auf sein thermisches Verhalten. Man spricht dabei auch von der Anomalie des Wassers. Was das genau bedeutet, wollen wir in diesem Text mithilfe eines Phasendiagramms untersuchen.

Was ist ein Phasendiagramm? – Definition

Ein Phasendiagramm stellt in einem Koordinatensystem die unterschiedlichen Aggregatzustände unter den Bedingungen Druck (Physik) und Temperatur dar. Darin werden die Phasengrenzlinien zwischen der gasförmigen, der festen und der flüssigen Phase abgebildet.

Die Phasengrenzlinien können je nach Literatur unterschiedliche Namen tragen.

Wie funktioniert ein Phasendiagramm?

Aus einem Phasendiagramm können unterschiedliche Dinge abgelesen werden, zum Beispiel wie sich die Aggregatzustände eines Stoffs verändern, wenn die Faktoren Druck und Temperatur verändert werden. Man kann außerdem feststellen, welche Reaktion ein Stoff zeigt und ob eine Anomalie vorliegt. Was eine solche Anomalie ist, werden wir im nächsten Abschnitt am Beispiel des Wassers genauer betrachten.

Besonderheit im Phasendiagramm des Wassers

In der folgenden Abbildung sieht man oben ein normales Phasendiagramm im Vergleich zum Aufbau des Phasendiagramms von Wasser.

Erklärung Phasendiagramm Wasser Zustandsdiagramm

In der folgenden Tabelle über das Phasendiagramm von Wasser werden die einzelnen Begriffe aus der Abbildung oben erklärt.

Begriffe Beschreibung
Siedepunkt
im Phasendiagramm Wasser
Wasser siedet bei einer Temperatur von 100 Grad Celsius und einem Druck von 1 013 Bar. Am Siedepunkt geht Wasser vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand über.
Schmelzpunkt
im Phasendiagramm Wasser
Wasser schmilzt bei einer Temperatur von 0 Grad Celsius und einem Druck von 1 013 Bar. Am Schmelzpunkt geht Wasser vom festen in den flüssigen Aggregatzustand über.
Kritischer Punkt
im Phasendiagramm Wasser
Der kritische Punkt bezeichnet in der Thermodynamik den Punkt, an dem kein Unterschied zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase mehr gemacht werden kann. Dieser kritische Punkt liegt beim Wasser bei einer Temperatur von 374 Grad Celsius und einem Druck von 221 Bar.
Tripelpunkt
Wasser
Der Tripelpunkt bezeichnet in der Thermodynamik den Punkt, bei dem die drei Phasen eines Systems im Gleichgewicht sind. Dieser liegt beim Wasser bei einer Temperatur von 0,01 Grad Celsius und einem Druck von 0,006 Bar. Am Tripelpunkt liegen also Wasserdampf, flüssiges Wasser und Eis gleichzeitig vor und die Mengenverhältnisse der drei Phasen ändern sich nicht.
Überkritische Phase
von Wasser
Oberhalb des kritischen Punkts können Flüssigkeit und Gas nicht mehr unterschieden werden. Deshalb spricht man von einem überkritischen Zustand oder Bereich. Dieser beginnt beim Wasser bei einer Temperatur von 374 Grad Celsius und einem Druck von 221 Bar.
Sublimationskurve
oder Resublimationskurve Wasser
Die Sublimationskurve oder Resublimationskurve liegt an der Grenze zwischen Feststoff und Gas. Es handelt sich also um den Übergang eines Stoffs vom festen in den gasförmigen Zustand (Sublimation) oder umgekehrt vom gasförmigen in den festen Zustand (Resublimation).
Schmelzkurve
oder Erstarrungskurve Wasser
Die Schmelzkurve oder Erstarrungskurve liegt an der Grenze zwischen Feststoff und Flüssigkeit. Es handelt sich also um den Übergang eines Stoffs vom festen in den flüssigen Zustand (Schmelzen) oder umgekehrt vom flüssigen in den festen Zustand (Gefrieren).
Siedekurve
oder Kondensationskurve Wasser
Die Siedekurve oder Kondensationskurve liegt an der Grenze zwischen Gas und Flüssigkeit. Es handelt sich also um den Übergang eines Stoffs vom flüssigen in den gasförmigen Zustand (Verdampfen) oder umgekehrt vom gasförmigen in den flüssigen Zustand (Kondensation).

Vergleicht man das normale Phasendiagramm mit dem Phasendiagramm des Wassers, stellt man fest, dass die Schmelzkurve beim Wasser vom Tripelpunkt ausgehend nach oben links verläuft. Beim normalen Phasendiagramm und damit auch bei den meisten Stoffen ist dies nicht der Fall. Das bedeutet, dass man Eis bei gleichbleibender Temperatur nur durch Erhöhung des Drucks schmelzen kann. Dabei spricht man von der sogenannten Anomalie oder auch Dichteanomalie des Wassers. Der Grund für dieses Verhalten ist, dass die Moleküle in flüssigem Wasser platzsparender angeordnet sind als in festem Eis. Das heißt, Wasser besitzt also eine höhere Dichte und damit ein höheres spezifisches Gewicht als Eis.

Weil Wasser eine höhere Dichte als Eis besitzt, schwimmen Eisberge im Meer und sinken nicht ab.

Besonderheiten von Wasser – Beispiele

Dieses besondere Verhalten des Wassers hat auch einige praktische Konsequenzen. Einige Beispiele dazu sind:

  • Wie funktioniert das Schlittschuhlaufen? Das Prinzip des Schlittschuhlaufens beruht auf der kurzfristigen Verflüssigung des Eises, wenn das Gewicht des Schlittschuhläufers auf das Eis drückt. Das gebildete Wasser wirkt wie ein Schmiermittel.

Phasendiagramm Wasser einfach erklärt

  • Wie überleben Fische im Winter? Das Gewicht der Eisdecke auf dem See drückt auf das darunterliegende Wasser. Falls der See tief genug ist, kann die Eisdecke so schwer werden, dass das Wasser in tieferen Schichten des Gewässers durch den Druck flüssig bleibt. Ein See besitzt übrigens im Winter an der tiefsten Stelle immer eine Wassertemperatur von 4 Grad Celsius, da Wasser bei dieser Temperatur seine höchste Dichte und das kleinste Volumen aufweist.

  • Wieso kann ein Gletscher fließen?: Wenn es schneit, bildet sich an den Hängen der Berge eine Schneedecke. Ab einem gewissen Gewicht der Schneedecke beginnt sich der Schnee im unteren Bereich zu verflüssigen und die Schneemasse gleitet langsam den Hang hinab. Das Wasser wirkt auch hier wie ein Schmiermittel. Gäbe es diesen Effekt nicht, würde sich das ganze Wasser der Erde mit der Zeit auf den Gebirgen sammeln und auf dem Rest der Erde wäre es trocken.

Dieses Video

In diesem Video wird dir das Phasendiagramm des Wassers und die damit verbundene Anomalie beschrieben. Dafür wird eingangs noch einmal ein Phasendiagramm beschrieben. Die Besonderheit des Phasendiagramms des Wasser wird dann im Einzelnen an verschiedenen Beispielen verdeutlicht, wie dem Schlittschuhlaufen, der Gletscherschmelze und dem Verflüssigen von Seewasser unter einer Eisdecke.

Auch zum Thema Phasendiagramm des Wassers haben wir einige interaktive Übungen vorbereitet. Du kannst dein neu gewonnenes Wissen also direkt testen. Viel Spaß!

Häufig gestellte Fragen zum Thema Phasendiagramm des Wassers

Was ist der Tripelpunkt von Wasser?
Wie viele Phasen hat Wasser?
Was passiert am Tripelpunkt?
Welche Phasenübergänge gibt es?
Was ist ein Phasengleichgewicht?

Transkript Phasendiagramm des Wassers

Hallo und herzlich willkommen. Mein Name ist Götz. Das Thema von heute lautet: "Das Phasendiagramm von Wasser". Dabei werden wir folgende Fragen beantworten:

  1. Wie sieht das Phasendiagramm von Wasser aus?
  2. Welche Besonderheit weist es auf? und 3. Welche konkreten Auswirkungen hat diese Besonderheit?

Im Vorfeld dieses Videos solltest du aber schon wissen, was ein Phasendiagramm überhaupt ist. Es ist vielleicht sinnvoll, noch einmal kurz zu wiederholen, wie ein Phasendiagramm normalerweise aussieht. Wir finden darin eine Sublimationsdruckkurve, eine Siedepunktskurve und eine Schmelzdruckkurve. Diese 3 Kurven teilen das Diagramm in einen gasförmigen, einen flüssigen und einen festen Bereich auf. Des Weiteren finden wir in dem Diagramm die charakteristischen Punkte: den Tripelpunkt und den kritischen Punkt. Nun zum Vergleich das Phasendiagramm des Wassers: Auch hier finden sich diese 3 charakteristischen Kurven, die das Diagramm in 3 Bereiche aufteilen: nämlich den festen, den gasförmigen und den flüssigen, da es sich um Wasser handelt - also um den Bereich, wo Eis vorliegt, wo Wasserdampf vorliegt oder wo flüssiges Wasser vorliegt. Was ist so besonders an diesem Phasendiagramm des Wassers bzw. was unterscheidet es von dem anderen Phasendiagramm, das wir links hingezeichnet haben? Nun ja, es ist die Tatsache, dass die Schmelzdruckkurve - also die lila Kurve - beim Wasser vom Tripelpunkt ausgehend nach oben links verläuft und nicht wie im normalen Phasendiagramm nach oben rechts. Die allermeisten Stoffe verhalten sich so, wie im linken Phasendiagramm dargestellt wird, weshalb man dies als ein normales Phasendiagramm bezeichnen könnte, während das Wasser eine sogenannte Anomalie aufweist. Warum ist das wichtig? Man kann es sich anhand eines Punktes veranschaulichen, der bei einer bestimmten Temperatur T1 und P1 vorliegt, die so gewählt sind, dass der Punkt im eisförmigen Bereich liegt. Hält man nun die Temperatur konstant, geht aber auf einen höheren Druck zu, den wir hier als P2 bezeichnen, dann wird man sehen, dass man plötzlich sich im flüssigen Bereich befindet, das heißt, beim flüssigen Wasser. Mit anderen Worten: Unser Eis ist einfach nur durch Druckerhöhung geschmolzen. Würde man dieselbe Prozedur bei einem anderen Stoff durchführen, dann würde man sehen, dass man durch Druckerhöhung den festen Bereich nicht verlassen kann. Diese Besonderheit oder Anomalie des Wassers möchte ich hier noch einmal kurz zusammenfassen: Zunächst einmal, wie gesagt, die Schmelzdruckkurve verläuft nach oben links im Phasendiagramm. Das ist sozusagen das, was wir im Diagramm sehen. Das wiederum bedeutet, dass Eis sich unter Druck verflüssigt. Die Ursache für dieses Verhalten liegt darin begründet, dass die Moleküle in flüssigem Wasser platzsparender angeordnet sind als in festem Eis. Dies wiederum hängt mit den besonderen Moleküleigenschaften des Wassers zusammen, mit seiner Form und seiner Fähigkeit, Wasserstoffbrücken auszubilden. Weiter möchte ich an dieser Stelle aber nicht darauf eingehen.  Viel wichtiger ist, dass man sich dabei vor Augen hält, dass Wasser dichter ist als Eis. Das heißt, Wasser besitzt eine höhere Dichte als Eis, ein höheres spezifisches Gewicht. Und wem das zu theoretisch ist: Wäre es anders, dann würden Eisberge nicht im Meer schwimmen, sondern zu Boden sinken. Noch einmal der wichtigste Punkt zu diesem Thema: Eis verflüssigt sich unter hohem Druck. Und welche praktischen Konsequenzen das hat, möchte ich anhand von ein paar Beispielen zeigen: Habt ihr euch zum Beispiel schon mal gefragt, warum man auf Eis Schlittschuh laufen kann, aber nicht auf Glas? Glas ist doch auch sehr glatt. Der Punkt ist der, dass wenn das Gewicht des Schlittschuhläufers auf die Kufe des Schlittschuhs drückt, sich unter der Kufe das Eis kurzzeitig verflüssigt. Das heißt, der Schlittschuhläufer läuft gar nicht auf Eis, sondern streng genommen läuft er auf Wasser. Er gleitet auf dem Wasser über das Eis. Bei Glas funktioniert das nicht, weil Glas sich eben nicht verflüssigt unter Druck. Ganz einfach. Beispiel 2 betrifft das Leben unter dem Eis. Habt ihr euch schon mal gefragt, wie die Fische es schaffen im Winter, wenn alles gefroren ist, im Wasser zu überleben? Die Antwort ist ganz einfach: Die Eisdecke, die sich auf dem See bildet, hat ein bestimmtes Gewicht und dieses Gewicht drückt auf das Wasser, das darunter ist. Ist der See tief genug, so kann die Eisdecke so schwer werden, dass das Wasser, was sich darunter befindet, durch den Druck flüssig bleibt. In diesem Bereich können die Fische dann in Ruhe überwintern. Ist der See dagegen zu flach, sodass die Eisfläche, die sich bildet, nicht schwer genug ist, um das Wasser zu verflüssigen, dann sterben die Fische. Im 3. Beispiel geht es um das Fließverhalten von Gletschern. Wenn es im Gebirge schneit oder auf den Landmassen, an den Polkappen, meinetwegen in Grönland oder in der Antarktis, dann bildet sich eine Schneedecke auf dem Land. Irgendwann erreicht diese Schneedecke eine so große Dicke, dass ihr Gewicht anfängt, das Wasser, das sich ganz unten befindet, zu verflüssigen. Befindet sich unsere Schneemasse an einem Hang, dann beginnt sie, an diesem Hang herunterzugleiten, weil das Wasser, das sich ganz unten gebildet hat, wie ein Schmiermittel wirkt. Auf diese Art und Weise fließt der Gletscher zu Tal. Wäre das nicht so, dann würde sich im Laufe der Jahrtausende, der Jahrmillionen das ganze Wasser der Polkappen und auf den Gebirgen sammeln, weil das Eis ja nicht mehr zurückfließen würde ins Meer. Das heißt, wir hätten riesige Eisberge irgendwo auf unserem Planeten und auf dem Rest des Planetens wäre es trocken. Nun wissen wir, wie das Phasendiagramm des Wassers aussieht. Und wir wissen weiterhin, welche Besonderheit - das heißt, Anomalie - es enthält. Außerdem verstehen wir nun, warum wir im Winter auf einem zugefrorenen See Schlittschuh laufen können, während unter der Eisdecke, auf der wir herumlaufen, die Fische glücklich vom Frühling träumen. Und damit möchte ich mich auch schon verabschieden. Tschüss, und bis zum nächsten Mal!

5 Kommentare
5 Kommentare
  1. Danke :) genau die "Reaktion" meinte ich, war mir nur nicht sicher, ob man das so formulieren kann

    Von Clea Rupp, vor fast 8 Jahren
  2. Reaktionsgleichungen sind nur bei chemischen Reaktionen sinnvoll. Das Schmelzen von Wasser ist aber lediglich ein physikalischer Umwandlungsprozess. Du könntest höchstens formulieren:

    H2O (fest) ----> H2O (flüssig)

    Von Götz Vollweiler, vor fast 8 Jahren
  3. Hallo,
    danke für dein Video, es hat mir sehr geholfen.
    Allerdings habe ich noch eine Frage: gibt es zu dem "Phänomen" Schlittschuhlaufen eine "Reaktionsgleichung"?
    Vielen Dank im Vorraus :)

    Von Clea Rupp, vor fast 8 Jahren
  4. danke, hat mir sehr geholfen ;)

    Von Deleted User 111167, vor etwa 9 Jahren
  5. sehr gut,neu für mich

    Von Hamlet, vor fast 11 Jahren
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