Hallo ihr Wissenden,
warum dehnt sich eigentlich Wasser wenn es gefriert aus?
Guß Matthias
Hi Matthias,
die sogenannte ‚Anomalie des Wassers‘ beruht hauptsächlich auf zwei gegenläufigen Effekten.
Zum einen der Volumenausdehnung beim Erwärmen, was bei fast allen anderen Flüssigkeiten auch so ist
und zum anderen auf der Volumenausdehnung durch Clusterbildung, das so ausgeprägt nur bei Wasser und etwas weniger bei Fluorwasserstoff vorkommt.
Dieser zweite Effekt ist für das anormale Verhalten von Wasser verantwortlich.
Wasser ist ein sog. permanenter Dipol, daß heißt Wassermoleküle haben ein positiv geladenens Ende und ein negativ geladenes. Da sich ungleichnamige Ladungen anziehen, lagern sich Wassermolekeln zu Aggregaten der Clustern zusammen. Das Volumen der Cluster ist aber größer als das von ‚freiem‘ nicht aggegierten Wasser. Diese Cluster werden nun aber durch Wärme zerstört.
Bis zu einer Temperatur von 4 °C ist der Effekt, daß die Cluster zerstört werden (und somit das Volumen kleiner bzw. die Dichte größer wird) größer, als die Volumenausdehnung durch Erwärmen. Daher hat Wasser bei 4 °C die größte Dichte.
Ist hoffentlich verständlich?!
Gandalf
Hallo,
Wasser ist ein sog. permanenter Dipol, daß heißt
Wassermoleküle haben ein positiv geladenens Ende und ein
negativ geladenes. Da sich ungleichnamige Ladungen anziehen,
lagern sich Wassermolekeln zu Aggregaten der Clustern
zusammen. Das Volumen der Cluster ist aber größer als das von
‚freiem‘ nicht aggegierten Wasser. Diese Cluster werden nun
aber durch Wärme zerstört.
Nicht ganz. Ein Dipol würde nicht wirklich ausreichen um solche geordneten Strukturen zu bilden.
Bei Wasser ist die H-Brückenbildung der entscheidende Punkt. H-Brücken sind ähnlich wie kovalente Bindungen gerichtet - nur viel schwächer. Sie führen damit dazu, dass die Wasser-Moleküle geordnete Strukturen bilden.
ciao
ralf
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Wasserstoff-Brückenbinnnnndung
Hallo,
Wasser ist ein sog. permanenter Dipol, daß heißt
Wassermoleküle haben ein positiv geladenens Ende und ein
negativ geladenes. Da sich ungleichnamige Ladungen anziehen,
lagern sich Wassermolekeln zu Aggregaten der Clustern
zusammen. Das Volumen der Cluster ist aber größer als das von
‚freiem‘ nicht aggegierten Wasser. Diese Cluster werden nun
aber durch Wärme zerstört.Nicht ganz. Ein Dipol würde nicht wirklich ausreichen um
solche geordneten Strukturen zu bilden.
Bei Wasser ist die H-Brückenbildung der entscheidende Punkt.
H-Brücken sind ähnlich wie kovalente Bindungen gerichtet - nur
viel schwächer. Sie führen damit dazu, dass die
Wasser-Moleküle geordnete Strukturen bilden.
Hi Ralf,
genau so ist es. Die elektrostatische Dipol-Dipol-Anziehung und die Kovalenzbindung ergänzen sich und führen zur H-Brückenbi n dung (diese heißt so, weil sie quasi eine Brücke zwischen den O-Atomen bildet und deren Abstand zueinander kleiner hält, als es bei Auftreten nur einer der beiden Kräfte der Fall wäre).
Das alles kann aber nur erklären, weshalb unterhalb einer gewissen (Sprung-)Temperatur jener Ordnungszustand eintritt und das Volumen zu- und die Dichte mithin abnimmt. Weshalb aber nimmt die Dichte mit sinkender Temperatur kontinuierlich weiter ab? Ich denke, der H-Brückenbindungszustand ist absolut, also entweder erreicht oder nicht. Woher kommt die weitere Kälteausdehnung?
Grüße
R o b.
Hi ROB,
Das alles kann aber nur erklären, weshalb unterhalb einer
gewissen (Sprung-)Temperatur jener Ordnungszustand eintritt
und das Volumen zu- und die Dichte mithin abnimmt. Weshalb
aber nimmt die Dichte mit sinkender Temperatur kontinuierlich
weiter ab? Ich denke, der H-Brückenbindungszustand ist
absolut, also entweder erreicht oder nicht. Woher kommt die
weitere Kälteausdehnung?
die Clusterbildung ist nichts statisches, sondern ein Dynamischer Vorgang. Die durchschnittliche Größe der Kluster steigt mit sinkender Temperatur. Und da die Dichte des Wassers mit der Größe der Cluster korreliert, hast Du von 4°C bis zum Gefrierpunkt eine kontinuierliche Zunahme der Dichte.
Der Sprung in der Dichte beim Schmelzen/Gefrieren hat seinen Grund in der Kristallstruktur des Wassers.
Gandalf
noch ein Puzzleteilchen fehlt:
und zwar dass zufällig der Winkel zwischen den H-Atomen
knapp von 120 Grad abweicht.
Stoffe mit Dipol oder Wasserstoffbrücke gibts ja viele,
und die zeigen nur seltenst Wasserartiges Verhalten.
Gruss, Marco
[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]
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Hallo Matthias
Wasser hat bei 4 °C seine größte Dichte (das kleinste Volumen) und dehnt sich daher bei 0 °C (dem Gefrierpunkt) wieder aus. Das Phänomen wird Anomalie des Wassers genannt.
Gruß Alex
Aber das ∆ρ bei Eis?!?
Hi Gandalf,
Das alles kann aber nur erklären, weshalb unterhalb einer
gewissen (Sprung-)Temperatur jener Ordnungszustand eintritt
und das Volumen zu- und die Dichte mithin abnimmt. Weshalb
aber nimmt die Dichte mit sinkender Temperatur kontinuierlich
weiter ab? Ich denke, der H-Brückenbindungszustand ist
absolut, also entweder erreicht oder nicht. Woher kommt die
weitere Kälteausdehnung?die Clusterbildung ist nichts statisches, sondern ein
Dynamischer Vorgang. Die durchschnittliche Größe der Kluster
steigt mit sinkender Temperatur. Und da die Dichte des Wassers
mit der Größe der Cluster korreliert, hast Du von 4°C bis zum
Gefrierpunkt eine kontinuierliche Zunahme der Dichte.
Der Sprung in der Dichte beim Schmelzen/Gefrieren hat seinen
Grund in der Kristallstruktur des Wassers.
Das alles ist einleuchtend für den Bereich von 0 - 3,98°C, aber wieso verringert sich die Dichte von Eis beim kälterwerden?
Gruß
R o b.