Wie stellt man sofort gefrorenes Wasser her?

Das Geheimnis des instantanen Eis: Schlagartiges Gefrieren von Wasser durch kontrollierte Unterkühlung

Wasser, ein scheinbar simples Molekül, birgt faszinierende Phänomene. Eines davon ist die Unterkühlung – ein Zustand, in dem Wasser unter 0°C flüssig bleibt. Wird dieser labile Zustand durch einen Impuls gestört, kristallisiert das Wasser schlagartig zu Eis. Dieser Effekt ermöglicht das scheinbar „instantane“ Gefrieren, welches wir im Folgenden detailliert betrachten.

Der Schlüssel zum Erfolg liegt in der kontrollierten Unterkühlung. Dabei wird Wasser auf eine Temperatur unter 0°C abgekühlt, ohne dass es zu Eis gefriert. Dies gelingt am besten mit hochreinem Wasser, da Verunreinigungen und Partikel als Kristallisationskeime wirken und den Gefrierprozess beschleunigen. Je reiner das Wasser, desto tiefer kann es unterkühlt werden.

Die praktische Umsetzung:

Für den Versuch benötigen Sie folgende Materialien:

• Hochreines Wasser: Destilliertes Wasser ist ideal. Je reiner, desto besser das Ergebnis. Leitungswasser enthält oft genug an Partikeln, die das Unterkühlen verhindern.
• Gefrierfähige Plastikflasche: Eine PET-Flasche eignet sich gut. Vermeiden Sie Glas, da es bei plötzlicher Expansion brechen kann.
• Kühlbad: Ein Behälter (z.B. eine große Schüssel) mit Eis, Wasser und einer großzügigen Menge Salz. Das Salz senkt den Gefrierpunkt des Eis-Wasser-Gemisches und ermöglicht somit tiefere Temperaturen. Die Menge an Salz und Eis sollte so gewählt werden, dass eine Temperatur von etwa -10°C bis -15°C erreicht wird. Ein Thermometer ist hilfreich, um die Temperatur zu überwachen.
• Isolationsmaterial (optional): Eine zusätzliche Isolierung des Kühlbads (z.B. durch Styroporbox) hilft, die Temperatur stabiler zu halten.

Vorgehensweise:

1. Vorbereitung: Füllen Sie die Plastikflasche mit dem hochreinen Wasser und kühlen Sie sie im Kühlschrank für mindestens 2 Stunden vor. Die Flasche sollte möglichst kalt sein, bevor sie in das Kühlbad gegeben wird.

2. Kühlbad erstellen: Bereiten Sie das Kühlbad aus Eis, Wasser und Salz vor. Rühren Sie gut um, bis sich das Salz gelöst hat.

3. Unterkühlen: Stellen Sie die vorgekühlte Wasserflasche in das Kühlbad. Achten Sie darauf, dass die Flasche vollständig vom Eis-Salz-Wassergemisch bedeckt ist. Lassen Sie die Flasche für mindestens 30-60 Minuten im Kühlbad, um eine ausreichende Unterkühlung zu erreichen. Regelmäßiges Rühren des Kühlbads verbessert die Wärmeübertragung.

4. Schlagartiges Gefrieren: Nach der Unterkühlungsphase können Sie das Gefrieren durch einen Impuls auslösen. Dies kann durch:

   • Schütteln der Flasche: Eine leichte Erschütterung genügt oft.
   • Hinzufügen eines Kristallisationskeims: Ein kleiner Eiswürfel oder ein Eiskristall kann den Prozess initiieren.
   • Berühren der Flaschenwand: Ein leichter Stoß an die Flasche kann ausreichend sein.

Das Wasser sollte daraufhin fast augenblicklich gefrieren. Die Kristallisation breitet sich dabei von der Störungsstelle aus.

Sicherheitshinweise:

• Achten Sie darauf, dass die Flasche nicht zu stark unter Druck gerät. Bei starkem Unterkühlen und plötzlicher Kristallisation kann es zu einer Volumenänderung kommen. Verwenden Sie eine flexible Plastikflasche und vermeiden Sie Überfüllung.
• Tragen Sie ggf. Handschuhe, um kalte Finger zu vermeiden.

Dieser Versuch demonstriert auf eindrucksvolle Weise die physikalischen Prinzipien der Unterkühlung und die daraus resultierende, nahezu instantane Eisbildung. Es ist ein lehrreiches und faszinierendes Experiment, welches die verborgenen Eigenschaften des allgegenwärtigen Wassers aufzeigt.