- Oft platzt der Boden ab - Hannelore Dittmar-Ilgen
Wasser widersetzt sich einer normalen Regel der Natur: Eine Substanz hat (gleiche Masse vorausgesetzt) im festen Zustand ein kleines Volumen als im flüssigen. Schon mancher Sekt, der „mal eben“ zum Kühlen in den Gefrierschrank kam, konnte nur gefroren inmitten von Scherben geborgen werden.
Schauexperimente zur Sprengkraft des Eises
Diese enorme Sprengkraft des Eises bildet die Grundlage für zahlreiche Schauexperimente, bei denen Glasgegenstände oder sogar ganze Flaschen mithilfe der Eisbildung gesprengt werden. Besonders der Flaschenboden scheint eine Schwachstelle zu sein und wird oft bei der Eisbildung einfach abgesprengt (Abb. 1), Plastikflaschen scheinen jedoch durch ihre Verformbarkeit dem enormen Eisdruck oft Stand zu halten (Abb. 2).
Wenn Sie so eine „Sprengung“ vorführen möchten, ist es für einen guten Effekt wichtig, schmale Gläser zu benutzt wie zum Beispiel Tablettenröhrchen aus Glas oder hohe schmale Flaschen. Verschließen Sie diese luftdicht unter Wasser, vielleicht binden Sie den Verschluss sogar fest oder sichern ihn mit Draht. Schließlich soll das Glas platzen und nicht der Stopfen weg gesprengt werden. Auch das Einpacken in einen Plastikbeutel oder ein Tuch ist wegen der möglichen Splitter zu empfehlen. Und dann ab in den Gefrierschrank oder in den winterlichen Frost.
Das Wassermolekül ist Ursache für die Sprengkraft
Wenn eine Flüssigkeit in den festen Zustand übergeht, werden normalerweise die darin enthaltenen Flüssigkeitsteilchen dichter zusammengepackt und in eine regelmäßige Anordnung gebracht. Sehr treffend lässt sich das mit dem Packen eines Koffers vergleichen: Wirft man seine Sachen kreuz und quer in den Koffer (Flüssigkeit), so benötigt man natürlich mehr Raum, als wenn man sie fein säuberlich gefaltet verstaut (Festkörper). Geordnete Atome beanspruchen weniger Raum. Ausnahme: Wasser!
Dieses seltsame Verhalten hängt mit der Struktur des Wassermoleküls zusammen: Die beiden Wasserstoffatome sind jeweils an das Sauerstoffatom gebunden und bilden untereinander einen Winkel von 105° (Abb. 3). Dabei halten sich die beiden Elektronen des Wasserstoffs bevorzugt in Sauerstoffnähe auf (und sorgen für die chemische Bindung). Hierdurch erhält das Wassermolekül auf Seiten des Wasserstoffs eine positive Ladung (vom Atomkern) und in der Umgebung des Sauerstoffs eine negative.
Wenn nun viele derartige Moleküle im flüssigen Zustand des Wassers zusammenkommen, werden sie aufgrund der abstoßenden und anziehenden Kräfte ihrer Ladungen bestimmte Anordnungen einnehmen. Sie verteilen sich also nicht willkürlich, wie dies bei ungeladenen Teilchen der Fall ist.
Schon als Flüssigkeit ist Wasser seltsam
Das normale Bild einer Flüssigkeit, in der sich die Moleküle zufällig und willkürlich gegeneinander bewegen können, gilt also nicht für Wasser. Die elektrischen Kräfte können zwar bei Temperaturen über 0 °C die Bewegungen der Moleküle nicht komplett unter Kontrolle halten, aber sie sind vorhanden. Die Wassermoleküle neigen dazu, sich räumlich zusammenzuschließen, manchmal sind es nur wenige Moleküle, manchmal finden sich aber auch 20, 30 oder noch mehr als zufällige Anordnung, die aber schnell wieder auseinanderbricht. Und sich dann in anderer Form neu bildet. Es lagern sich ständig neue Moleküle an, andere reißen sich wieder los. Und dabei sind nur sehr wenige Moleküle echte „Singles“. Wasser besteht also nur zu einem geringen Teil wirklich aus H2O-Molekülen. Am stabilsten und deshalb am häufigsten anzutreffen sind Sechserringe.
Mit abnehmender Temperatur – in Richtung Gefrierpunkt – lagern sich die Moleküle zu immer größeren Gebilden, auch Cluster genannt, zusammen und beanspruchen dabei mehr Platz als sich regellos bewegenden Moleküle. Dies ist übrigens auch der Grund, warum sich Wasser unterhalb der Dichteanomalie bei 4 °C wieder ausdehnt, ein Verhalten, das andere Flüssigkeiten nicht kennen.
Wasser wird fest – Eis braucht Platz
Kühlt Wasser weiter ab, so wird die vorhandene räumliche Ordnung der Wassermoleküle weiter ausgebaut: Es vergrößern sich die Cluster, es wird noch mehr Platz beansprucht. Die Bildung solcher Bereich nimmt unter 4 °C sogar so zu, dass die normale Kältekontraktion überkompensiert wird und sich das Wasser wieder ausdehnt. Am Gefrierpunkt schließlich ordnen sich alle Moleküle regelmäßig in der Eisstruktur an. Dies erklärt die starke Volumenzunahme beim Übergang vom flüssigen in den festen Zustand. In engen Gefäßen baut sich Druck auf, der zu enormer Sprengkraft führen kann.Und es erklärt, warum Eis auf Wasser schwimmt.
Der lockere Kristallaufbau mit Sechsecken, die lageweise verbunden sind, zeigt bereits, dass Eis eine viel geringe Dichte als Wasser besitzen muss, es bleibt einfach viel freier Raum zwischen den Molekülen. Man kann sich den Eiskristall als weitmaschige, von Hohlräumen durchsetzte Wabenstruktur vorstellen. Übersetzt in das Bild vom Kofferpacken werden die Moleküle im Eis gepackt wie wertvolle Reisemitbringsel, jedes einzeln in Papierlagen eingewickelt. Aber es passen eben auch weniger Teile in den Koffer hinein.
Umgekehrt löst sich die Struktur des Eises auch nicht völlig auf, wenn es schmilzt. Die Kristallstruktur bricht nur teilweise zusammen, es verbleiben zusammenhängende Molekülbereiche. Das Wasser vergisst nicht, dass es einmal Eis gewesen ist. In der Nähe des Gefrierpunktes ist Wasser weder eine feste noch eine flüssige Substanz. Und die sechseckige Anordnung der Wassermoleküle im Eis spiegelt sich auch in den sternförmigen Kristallen der Schneeflocken wieder. Sogar Eisblumen, die sich direkt aus der Feuchtigkeit der Luft an sehr kalten Fenstern niederschlagen, lassen die Kristallstruktur erahnen.
Geplatzte Wasserrohre und Regentonnen – ein winterliches Ärgernis
Manche kennen das vielleicht nur noch aus ihrer Kindheit: eingefrorene und vielleicht sogar geplatzte Wasserrohre. Wo Keller und auch Küchen nicht ausreichend gegen die Kälte des Winters isoliert sind, kann das Wasser in den Rohren gefrieren. Wer einen Wasseranschluss im Garten hat, muss vor dem ersten Frost den Absperrhahn der Zuleitung schließen. Aber damit ist es nicht getan. Das in der Leitung verbliebene Wasser muss ablaufen. Wenn Sie diese wichtige Arbeit versäumen, können Rohre durch das gefrierende Wasser im Winter gesprengt werden. Auch etliche Regentonnen sind dem Volumeneffekt bei der Eisbildung schon zum Opfer gefallen, nämlich dann ,wenn das Eis nach oben nicht genügend Platz zum Ausdehnen hatte und die ganze Tonne sprengte. Aus diesem Grund werden Wasserleitungen fast 1 m tief in den Erdboden verlegt, denn so tief gefriert der Boden selbst bei ärgsten Minusgraden nicht, zumindest in hiesigen Breitengraden.
Quellen und weiterführende Literatur:
- Bearbeiteter und ergänzter Text aus „Warum platzen Seifenblasen – Physik für Neugierige“, ein Buch der Autorin.
- Kein Eiszapfen ist wie der andere, jeder ist ein Unikat.
- Und auch Eispfützen beherbergen so manches Erstaunlich, zum Beispiel Hohlräume.
- Und wenn Sie schon im Winter weilen, auch Schneeflocken sind es wert, einmal von physikalischer Seite betrachtet zu werden.
Bildnachweis: © Hannelore Dittmar-Ilgen
Dr. Hannelore Dittmar-Ilgen - Physikerin, Wissenschaftsjournalistin, Buchautorin, Mathe-Erklärerin, Hobbybäckerin und... Physikhexe. Und so schreibe ich ...
