Welche Stoffe können Gefrieren?

Stoffe, die beim Gefrieren explizit expandieren

Die einzigartige Dichteanomalie des Wassers, die zu seiner Ausdehnung beim Gefrieren führt, ist eine entscheidende Eigenschaft für das Leben auf der Erde. Dieser Effekt prägt Ökosysteme in vielfältiger Weise, von der Eisbildung auf Gewässern bis hin zum Schutz aquatischer Organismen.

Die Dichteanomalie tritt auf, weil Wassermoleküle bei etwa 4 Grad Celsius (39,2 Grad Fahrenheit) eine vierseitige, offene Kristallstruktur bilden, die weniger dicht gepackt ist als flüssiges Wasser. Diese Änderung der Molekularanordnung führt zu einer Ausdehnung des Wassers um etwa 9 % bei seinem Gefrierpunkt von 0 Grad Celsius (32 Grad Fahrenheit).

Im Gegensatz zu den meisten anderen Substanzen, die sich beim Gefrieren zusammenziehen, dehnt sich also Wasser beim Gefrieren aus. Diese Eigenschaft hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Ökosysteme:

• Eisbildung auf Gewässern: Wenn Wasser gefriert, wird das weniger dichte Eis an die Oberfläche gedrückt, wo es eine isolierende Schicht bildet, die die darunter liegenden Gewässer vor dem Einfrieren schützt. Dies ermöglicht das Überleben von Wasserlebewesen auch in kalten Klimazonen.
• Schutz aquatischer Organismen: Das dehnende Eis schafft Hohlräume und Spalten, in denen Fische und andere Wasserlebewesen Zuflucht vor extremen Temperaturen finden können. Diese Zufluchtsorte sind entscheidend für ihr Überleben in gefrorenen Gewässern.
• Formung von Landschaften: Die Ausdehnung des Wassers beim Gefrieren kann zu Frostsprengung führen, einem Prozess, bei dem sich Wasser in Rissen und Spalten von Gestein ausdehnt und das Gestein aufbricht. Dies trägt zur Formung von Landschaften in kalten Regionen bei.

Die spezifische Dichteänderung zwischen 0°C und 4°C ist dabei von besonderer Bedeutung. Im Temperaturbereich von 0°C bis 4°C nimmt die Dichte von Wasser ab, wenn die Temperatur steigt. Dies führt zu einer Konvektionsströmung, bei der wärmeres, weniger dichtes Wasser aufsteigt und kälteres, dichteres Wasser absinkt.

Diese Konvektionsströmung spielt eine entscheidende Rolle für die Erwärmung von Seen und Gewässern. Sie sorgt für eine gleichmäßigere Temperaturverteilung und verhindert, dass Gewässer vollständig einfrieren.

Die einzigartige Dichteanomalie des Wassers ist ein Paradebeispiel für die Bedeutung physikalischer Eigenschaften in der Ökologie. Sie demonstriert, wie selbst kleine Änderungen der Dichte tiefgreifende Auswirkungen auf die biologischen Systeme und die Gestaltung der Erde haben können.