Physikalische Chemie
Physikalisch-chemische Zusammenhänge
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Was die Anomalie des Wassers ist und was sie für eine Bedeutung in der Natur spielt, das erfährst du hier. Schau auf jeden Fall noch das Video zum Artikel an. Darin sind für dich alle Informationen nochmal audiovisuell aufbereitet.

Was ist die Anomalie des Wassers?

Wasser hat eine Eigenschaft, die es von fast allen anderen Flüssigkeiten unterscheidet. Bei 4° Celsius erreicht Wasser sein geringstes Volumen V. Damit ist bei 4°C die Dichte von Wasser am größten. Erhöht oder verringert sich dann die Temperatur, vergrößert sich das Volumen des Wassers, was dessen Dichte verringert. Dieses ungewöhnliche thermische Verhalten ist die Anomalie des Wassers

Bei Temperaturen von 0° Celsius dehnt sich Wasser noch weiter aus. Das gilt auch für Eis. Dichte und Volumen von Wasser bei 0° Celsius unterscheidet sich von Eis bei 0° Celsius. Eis hat ein größeres Volumen als Wasser. Da es damit eine geringere Dichte hat als Wasser, schwimmt Eis immer oben auf dem Wasser auf. 

Anomalie des Wassers: Dichte und Temperatur

Das Verhalten von Wasser ist knapp über dem Gefrierpunkt anders als bei anderen Flüssigkeiten. Erhöhst du die Temperatur von Wasser bei 0° Celsius, so verringert sich dessen Volumen V zunächst. Das geringste Volumen erreicht es bei 4° Celsius. Erhitzt du es von hier aus weiter, so vergrößert sich dessen Volumen wieder. 
Trägst du den Volumenverlauf auf einem Graph auf, so siehst du, dass die Dichte bei 4° Celsius am größten ist. Genau dort wo das Volumen am geringsten ist. 

Temperatur, Dichte, Anomalie des Wassers
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Gegen die Temperatur aufgetragen, siehst du wie das Volumen bei 4° Celsius auf sein Minimum fällt.

 

Anhand des Graphen erkennst du die Anomalie des Wassers deutlich. Kühlst du Wasser ab sinkt der Graph ab. Das zeigt dir die Verringerung des Volumens. Bei 4° Celsius erkennst du dann, dass es sein Minimum erreicht. Anschließend steigt es wieder an. 

Anomalie des Wassers Volumen

Der Volumenverlauf des Wassers bei verschiedenen Temperaturen gibt dir Rückschlüsse auf den Dichteverlauf von Wasser in Abhängigkeit der Temperatur. Für den Dichteverlauf, brauchst du erst den mathematischen Zusammenhang zwischen Dichte und Volumen. Die Dichte \rho ergibt sich aus dem Quotienten von Masse m und Volumen V

\rho = \frac{m}{V}

Somit besitzt Wasser bei 4° Celsius seine größte Dichte. Diese befindet sich im Bereich von $\rho = 1 \, \frac{g}{cm^3}. Den zuvor genannten Volumenverlauf erkennst du anhand der Formel sehr viel deutlicher und damit auch, warum die Dichte bei 4° Celsius am größten ist. Bleibt die Masse des Wassers gleich, so verändert sich nur das Volumen. Beim Volumenminimum erreicht die Dichte somit sein Maximum. 

Dichte, Volumen, Anomalie des Wassers
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Gegen die Temperatur aufgetragen, erkennst du wie die Dichte bei 4° Celsius seinen Maximalwert erreicht. 

 

Dichteanomalie von Wasser und Eis

Gefriert Wasser zu Eis, verändert sich dessen Volumen und somit die Dichte, sprunghaft. Die Wassermoleküle ordnen sich beim Gefrieren anders an. In dieser neuen Gitterstruktur brauchen sie mehr Raum als zuvor. Es besitzt eine deutlich geringere Dichte und auch ein deutlich höheres Volumen als Wasser im flüssigen Zustand. 

Diese Eigenschaft gilt es zu beachten, wenn du eine Flasche mit Wasser füllst oder Wasserleitungen im Freien verlegst. Gefriert das Wasser darin, so sprengt die plötzliche Ausdehnung das Gefäß oder die Leitung gewaltsam auf. 

Anomalie des Wassers im See

In der Natur spielt diese Eigenschaft eine lebenswichtige Rolle. Tiere und Pflanzen haben dank ihr die Möglichkeit die frierenden Wintertemperaturen zu überleben. 

Im Winter verringert sich die Temperatur des Wassers. Bei 4° Celsius erreicht es seine größte Dichte und sinkt unter die Wasserschichten mit niedrigerer oder höherer Temperatur. Bei weiterer Abkühlung reduziert sich die Temperatur des oberflächennahen Wassers, bis es gefriert. Da Eis die geringste Dichte hat, schwimmt es oben auf allen Schichten noch flüssigen Wassers auf. Die stabile gefrorene Schicht, schützt dir darunter liegenden flüssigen Schichten vor dem gefrieren. Ist das Gewässer hinreichend tief, entsteht in der Tiefe ein Bereich mit einer Temperatur von 4° Celsius. Darin überleben die Bewohner des Sees bis er im Frühjahr wieder auftaut.

Dichte, Volumen, Anomalie des Wassers, See
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Die obere Schicht gefriert und schützt die wärmeren, flüssigen Schichten vor dem Gefrieren. Dadurch bleiben die Seebewohner am Leben.

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