Wann erstarrt Wasser zu Eis?

Das Geheimnis des Gefrierpunktes: Wann wird Wasser zu Eis?

Wasser, die Grundlage allen Lebens, präsentiert sich uns als scheinbar einfaches Molekül – H₂O. Doch hinter dieser simplen Formel verbirgt sich eine faszinierende Komplexität, die sich besonders deutlich im Phasenübergang von flüssigem Wasser zu Eis zeigt. Die gängige Lehrmeinung besagt: Wasser gefriert bei 0 Grad Celsius. Doch die Realität ist, wie so oft, nuancierter.

Der Gefrierpunkt von 0°C bezieht sich auf Wasser unter Standardbedingungen: Normaldruck (1 Atmosphäre) und im Gleichgewicht mit Eis. In diesem Fall befinden sich flüssiges Wasser und Eis gleichzeitig im System, und bei 0°C findet ein dynamischer Austausch statt: Wassermoleküle gefrieren zu Eis, während gleichzeitig Eismoleküle schmelzen. Erst unterhalb von 0°C überwiegt die Gefrierreaktion und das Wasser gefriert vollständig.

Doch was passiert, wenn wir diese Standardbedingungen verlassen? Hier offenbart sich die bemerkenswerte Eigenschaft von Wasser, unterkühlt zu bleiben. Unterkühlung bedeutet, dass Wasser auch unter 0°C flüssig bleibt. Dies ist möglich, weil die Bildung von Eiskristallen einen Keim benötigt – eine Art “Startpunkt” für die Kristallisation. Fehlen diese Keime – beispielsweise in extrem reinem Wasser, das frei von Staubpartikeln und anderen Verunreinigungen ist – kann das Wasser in einen metastabil-flüssigen Zustand übergehen. Experimentell lässt sich Wasser so bis auf -40°C und sogar darunter abkühlen, ohne zu gefrieren. Eine winzigste Störung, etwa eine Erschütterung oder das Hinzufügen eines Eiskristalls, reicht dann aber aus, um die sofortige Kristallisation auszulösen.

Die Erklärung für dieses Phänomen liegt in der komplexen Wasserstoffbrückenbindung zwischen den Wassermolekülen. Diese Bindungen verleihen Wasser seine einzigartige Dichteanomalie (Eis ist leichter als Wasser) und tragen maßgeblich zur Unterkühlung bei. Die Bildung der regelmäßigen Kristallstruktur von Eis erfordert eine bestimmte Anordnung der Wassermoleküle, die ohne den nötigen Keim nur langsam und unter starkem Energieaufwand abläuft.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Während Wasser unter Standardbedingungen bei 0°C gefriert, ist dieser Punkt nur ein theoretischer Gleichgewichtspunkt. In der Praxis kann Wasser durch Unterkühlung deutlich unter 0°C flüssig bleiben, bis eine Störung die Kristallisation auslöst. Dieses Phänomen verdeutlicht die erstaunliche Komplexität eines scheinbar einfachen Moleküls und seine unerwarteten Eigenschaften, die es zu einem der faszinierendsten Stoffe in unserem Universum machen.