Warum dehnt sich Wasser aus, wenn es friert?

Die rätselhafte Ausdehnung von Wasser beim Gefrieren: Ein Blick hinter die Kulissen

Wasser, die Quelle des Lebens, verhält sich anders als die meisten Substanzen. Während sich die meisten Stoffe beim Abkühlen zusammenziehen und dichter werden, dehnt sich Wasser beim Gefrieren aus. Dieses ungewöhnliche Verhalten ist nicht nur für Schlittschuhläufer und Eisberge relevant, sondern prägt auch unsere Umwelt und das Leben auf der Erde maßgeblich. Doch was steckt hinter diesem Phänomen?

Die Antwort liegt in der einzigartigen Struktur der Wassermoleküle und ihrer Wechselwirkung. Im flüssigen Zustand sind die Wassermoleküle (H₂O) durch sogenannte Wasserstoffbrückenbindungen lose miteinander verbunden. Diese Bindungen sind dynamisch, brechen ständig auf und bilden sich neu, wodurch die Moleküle relativ nah beieinander bleiben können und sich frei bewegen.

Beim Abkühlen unter 4°C beginnt sich die Situation zu ändern. Die Bewegung der Moleküle verlangsamt sich, und die Wasserstoffbrückenbindungen werden stabiler und gerichteter. Anstatt sich weiterhin chaotisch anzuordnen, beginnen die Wassermoleküle, sich in einer hexagonalen Kristallstruktur anzuordnen, die an ein dreidimensionales Netzwerk aus sechseckigen Ringen erinnert.

Diese besondere Anordnung maximiert die Anzahl der Wasserstoffbrückenbindungen pro Molekül, erfordert aber gleichzeitig mehr Raum. Im Gegensatz zur ungeordneten Struktur im flüssigen Zustand, wo sich die Moleküle dichter aneinanderlagern können, entstehen in der Kristallstruktur “Hohlräume”. Die gleiche Anzahl an Wassermolekülen beansprucht nun ein größeres Volumen. Die Dichte des Wassers nimmt ab, und es dehnt sich aus.

Diese Ausdehnung beim Gefrieren hat weitreichende Konsequenzen:

• Schwimmendes Eis: Da Eis weniger dicht als flüssiges Wasser ist, schwimmt es auf der Oberfläche von Seen und Meeren. Diese isolierende Schicht schützt das darunterliegende Wasser vor dem weiteren Ausfrieren und ermöglicht somit das Überleben von Wasserlebewesen im Winter.
• Erosion und Verwitterung: Das Ausdehnen von gefrierendem Wasser in Gesteinsritzen und Bodenporen führt zu deren Sprengung und trägt somit maßgeblich zur Erosion und Verwitterung von Gesteinen bei.
• Platzende Wasserrohre: Im Winter können Wasserleitungen platzen, wenn das darin enthaltene Wasser gefriert und sich ausdehnt.

Die Ausdehnung von Wasser beim Gefrieren ist also kein Zufall, sondern eine direkte Folge der besonderen Molekülstruktur und der Wasserstoffbrückenbindungen. Dieses scheinbar simple Phänomen hat entscheidende Auswirkungen auf unsere Umwelt und das Leben auf der Erde.