Habe wenig Ahnung, wodurch eben jene Anomalie eigentlich begründet ist.
Ich weiß nur, daß sie zusammenhängt mit der Art, wie der strukturelle Zusammenhang im Gefüge „Wasser“ auf die strukturbedingten Temparatureigenschaften Einfluß hat und mit dem Ablauf, der in vielen Fällen den Augenblick hinauszögert, der zum Schmelzen von festem Wasser führt (laienhaft ausgedrückt).
Ich glaube, daß die Anomalie des Wassers mit dem „Winkel beim O“, der von 120 Grad stark abweicht, zusammenhängt.
richtiger wäre es vermutlich, von „den anomalien“ des wassers zu sprechen als von „der anomalie“ … obwohl die anomalien mit einander schon irgendwie zu tun haben.
was man gemeinhin unter „der anomalie“ versteht, ist im wikipedia-artikel auch begründet: „Zu dieser Dichteanomalie kommt es, da die Wassermoleküle im hexagonalen Gitter einen größeren Abstand zueinander haben als im flüssigen, ungeordneten Zustand.“
ist das zu wenig?
Ich glaube, daß die Anomalie des Wassers mit dem „Winkel beim
O“, der von 120 Grad stark abweicht, zusammenhängt.
Muß ich meine Hypothese entsorgen?
darüber weiß ich zu wenig; da sollen berufenere ran.
m.
was man gemeinhin unter „der anomalie“ versteht, ist im
wikipedia-artikel auch begründet: „Zu dieser Dichteanomalie
kommt es, da die Wassermoleküle im hexagonalen Gitter einen
größeren Abstand zueinander haben als im flüssigen,
ungeordneten Zustand.“
„Zu dieser Dichteanomalie
kommt es, da die Wassermoleküle im hexagonalen Gitter einen
größeren Abstand zueinander haben als im flüssigen,
ungeordneten Zustand.“
ist das zu wenig?
Leider ja. Es beschreibt nämlich nicht, warum die Anomalie nicht an der fest-flüssig-Phasengrenze, sondern bereits innerhalb der flüssigen Phase auftritt. Dazu lässt sich Wikipedia aber auch aus:
„Der Grund der Anomalie des Wassers ist die Verkettung der Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen. Durch sie benötigt die Struktur des festen Zustands mehr Platz als die Struktur bei beweglichen Molekülen. Die Strukturbildung ist ein fortschreitender Vorgang, das heißt, dass schon im flüssigen Zustand so genannte Cluster aus Wassermolekülen vorhanden sind. Bei 3,98 °C ist der Zustand erreicht, bei dem die einzelnen Cluster das geringste Volumen einnehmen und damit die größte Dichte haben. Wenn die Temperatur weiter sinkt, wird durch einen stetigen Wandel der Kristallstrukturen mehr Volumen benötigt. Wenn die Temperatur steigt, benötigen die Moleküle wieder mehr Bewegungsfreiraum und das Volumen steigt ebenfalls.“
Normalerweise werden die mitteleren Abstände zwischen den Molekülen (ganz besonders in Gasen, aber eben auch in geringerem Maße in Flüssigkeiten und Feststoffen) kleiner, je geringer die Temperatur wird. Das ist auch beim Wasser so, allerdings nur solange die Temperatur größer ist als 4°C. Wird es noch kühler, dann reicht die thermische Bewegung der Wasser-Moleküle nicht mehr aus, jede Wechselwirkung zwischen den H’s und O’s benachbarter Moleküle sofort wieder zu zerreißen. Die Moleküle werden durch diese O - H -Wechselwirkung (Stichwort: „Wasserstoffbrücken“) aneinander ausgerichtet, so wie wenn man Eisenfeilspäne in ein Magnetfeld wirft.
Weil die Wasse-Moleküle ihre besondere gewinkelte Struktur haben, bildet sich ein komplexes, dreidimensionales (und eben hexagonales) Gitter, in dem allerdings die Moleküle nicht mehr so einfach so dicht zusammenkommen können, wie es im völlig ungeordneten Zustand noch der Fall war. Insgesamt brauchen alle Moleküle im Gitter also mehr Platz.
Solange das Wasser nicht friert, gibt es ganz viele, sehr kleine „lokale Gitter“, die sich hier und da bilden und wieder auflösen. Im Mittel wird so eben auch schon mehr Platz beansprucht. Am Gefrierpunkt dehen sie die „lokalen Gitter“ soweit aus, dass sie miteinander verschmelzen; außerdem lösen sie sich kaum noch auf: Es entstehen Eiskristalle, die wiederum etwas mehr Platz beanspruchen.
Da die Masse (M) ja immer gleich bleibt, der Platzbedarf (V) aber zunimmt, sinkt bei Temperaturen unter 4°C so eben die Dichte (=M/V).
Ich weiß nur, daß sie zusammenhängt mit der Art, wie
der strukturelle Zusammenhang im Gefüge „Wasser“ auf die
strukturbedingten Temparatureigenschaften Einfluß hat und mit
dem Ablauf, der in vielen Fällen den Augenblick hinauszögert,
der zum Schmelzen von festem Wasser führt (laienhaft
ausgedrückt).
Das hat damit nichts zu tun. Die Frage war immer, ob das
Wasser im Temperaturbereich knapp über der Kristallisation
„tetragonale“ oder irgenwie anders koordinierte Cluster
bildet.
Ich glaube, daß die Anomalie des Wassers mit dem „Winkel beim
O“, der von 120 Grad stark abweicht, zusammenhängt.
Muß ich meine Hypothese entsorgen?
Entsorgen (*dieser* Winkel hat gar nichts damit zu tun).
Wird es noch kühler, dann reicht die thermische Bewegung der
Wasser-Moleküle nicht mehr aus, jede Wechselwirkung zwischen
den H’s und O’s benachbarter Moleküle sofort wieder zu
zerreißen. Die Moleküle werden durch diese O - H
-Wechselwirkung (Stichwort: „Wasserstoffbrücken“) aneinander
ausgerichtet, so wie wenn man Eisenfeilspäne in ein Magnetfeld
wirft.
Hast Du dafür Quellen? Man hatte ja früher so eine
vereinfachte Darstellung ggf. zur „Erklärung“ heran-
gezogen aber imho gilt das *so* schon eine ganze
Weile nicht mehr.
Solange das Wasser nicht friert, gibt es ganz viele, sehr
kleine „lokale Gitter“, die sich hier und da bilden und wieder
auflösen. Im Mittel wird so eben auch schon mehr Platz
beansprucht. Am Gefrierpunkt dehen sie die „lokalen Gitter“
soweit aus, dass sie miteinander verschmelzen; außerdem lösen
sie sich kaum noch auf: Es entstehen Eiskristalle, die
wiederum etwas mehr Platz beanspruchen.
Das hört sich für mich so an, als ob es vielleicht
falsch sein könnte (jedenfalls klingt es für mich
nicht schlüssig).
Habe wenig Ahnung, wodurch eben jene Anomalie eigentlich
begründet ist.
ich gehe mal davon aus, daß Du meinst, warum Wasser bei 4 °C sein Dichtemaximum hat.
Wasser besteht auch in der flüssigen Phase aus Aggregaten mehrerer Moleküle.
Diese Strukturen haben eine geringere Dichte als nicht assoziiertes Wasser.
Nun ist die Größe dieser Aggregate auch von der Temperatur abhängig, die Dichte von Wasser auch.
Die eine Dichte sinkt mit sinkender Temperatur (die der Aggregate), die andere steigt an (die des ‚flüssigen‘ Wassers).
Beide Effekte überlagern sich nun und bei 4 °C resultiert eine maximale Dichte.
Eine direkte Quelle habe ich nicht benutzt. So (oder so ähnlich) ist es uns Chemie mal beigebracht worden…
Ich habe jetzt mal nachgesehen, was der Lehninger (Biochemie, 3. Auflage, 2001) dazu sagt:
In flüssigem Wasser bei RT und Normaldruck sind die Wassermoleküle jedoch nicht geordnet und ständig in Bewegung, sodass jedes Molekül im Schnitt nur 3.4 Wasserstoffbrücken eingeht. Dagegen hat jedes Wassermolekül im Eis einen festen Platz und bildet mit 4 anderen Wassermolekülen Wasserstoffbrücken. […] Das Kristallgitter im Eis nimmt mehr Raum ein als die gleiche Anzahl von H2O-Molekülen in flüssigem Wasser.
Der Alberts (Molekularbiologie, 2001) läßt sich nicht großartig über Wasser aus, spricht aber von „Flatter-Clustern“, die auch im Flüssigen Zustand für die hohe Kohäsion des Wassers sorgen.
Dann habe ich noch einen kleinen Schatz: Die „Kleine Enzyklopädie der Natur“ von Rainer Gärtner aus dem VEB-Verlag von 1989 (ein super DDR-Schinken!). Der zeigt immerhin die Dichtekurve (Parabel mit Max. bei 4°C). Unter Kap. 9.1.4.1. steht: [flüssiges]Wasser von 0°C enthält noch Anteile der offenen Tetraederstruktur des Eises. Sie werden beim Erwärmen unter Dichte Dichtezunahme abgebaut. Erst oberhalb 4°C überwiegt die übliche Ausdehnung aufgrund der Molekularbewegung.
Ok, alles ätlere bis ziemlich alte Quellen
Ich würde mich aber sehr freuen, wenn ich jetzt was Neues über’s Wasser lernen würde.
Dann habe ich noch einen kleinen Schatz: Die „Kleine
Enzyklopädie der Natur“ von Rainer Gärtner aus dem VEB-Verlag
von 1989 (ein super DDR-Schinken!). Der zeigt immerhin die
Dichtekurve (Parabel mit Max. bei 4°C). Unter Kap. 9.1.4.1.
steht: [flüssiges]Wasser von 0°C enthält noch Anteile der
offenen Tetraederstruktur des Eises. Sie werden beim Erwärmen
unter Dichte Dichtezunahme abgebaut. Erst oberhalb 4°C
überwiegt die übliche Ausdehnung aufgrund der
Molekularbewegung.
Ok, alles ätlere bis ziemlich alte Quellen
Ich würde mich aber sehr freuen, wenn ich jetzt was Neues
über’s Wasser lernen würde.
Ich weiß nicht, ob Du das vielleicht schon in Betracht
zogst, aber die „Tendenz“ zu höherer Dichte bei
bis zu 3,984°C scheint sich strukturell-entropisch
begründen zu lassen.
Eigentlich ging es mir nur darum, die üblichen
Antworten vom Typ:
"Die Dichte erhöht sich ==> also ist die Begründung
dafür die Bildung von Strukturen, in denen die Dichte
erhöht ist … "
zu vermeiden
