Warum gefriert Salzwasser nicht?

Das Geheimnis des gefrorenen Meeres: Warum Salzwasser nicht so leicht friert

Der Winter zaubert wunderschöne Eislandschaften, doch das Meer bleibt selbst bei eisigen Temperaturen meist eisfrei. Woran liegt das? Die Antwort liegt in der chemischen Zusammensetzung des Meerwassers: dem gelösten Salz. Im Gegensatz zu reinem Wasser gefriert Salzwasser nicht bei 0°C, sondern erst bei einer deutlich niedrigeren Temperatur. Doch warum ist das so?

Der Schlüssel zum Verständnis liegt in der Wechselwirkung zwischen den Wassermolekülen (H₂O) und den Ionen des Salzes, hauptsächlich Natrium (Na⁺) und Chlorid (Cl⁻). Reines Wasser gefriert, weil sich seine Moleküle bei sinkenden Temperaturen in einem regelmäßigen Kristallgitter anordnen – die bekannte Eisstruktur. Dieser Ordnungsprozess wird durch Wasserstoffbrückenbindungen ermöglicht: Die leicht positive Wasserstoffseite eines Wassermoleküls wird von der leicht negativen Sauerstoffseite eines Nachbarmoleküls angezogen. Diese Brücken halten die Moleküle in der festen Eisstruktur zusammen.

Die Zugabe von Salz stört diesen fein abgestimmten Tanz der Wassermoleküle entscheidend. Die Natrium- und Chloridionen, die beim Auflösen von Kochsalz (NaCl) in Wasser entstehen, sind stark polar und ziehen die umgebenden Wassermoleküle an. Dieser Prozess nennt sich Hydratation: Die Ionen werden von einer Schicht aus Wassermolekülen umhüllt, die an sie gebunden sind. Diese Hydrathülle um die Ionen behindert die Ausbildung von Wasserstoffbrücken zwischen den freien Wassermolekülen.

Die Bildung der Wasserstoffbrücken ist aber, wie bereits erwähnt, für die Kristallisation des Eises essentiell. Durch die Hydrathüllen der Ionen wird die regelmäßige Anordnung der Wassermoleküle im Gitter gestört, der Gefrierprozess verlangsamt und letztendlich erst bei tieferen Temperaturen ermöglicht. Je höher die Salzkonzentration, desto mehr Ionen stören die Wasserstoffbrücken, desto niedriger ist der Gefrierpunkt des Salzwassers.

Dieser Effekt ist nicht nur für das Überleben der Meeresbewohner in kalten Regionen von Bedeutung, sondern auch für viele technische Anwendungen relevant. So wird beispielsweise der Streusalzeinsatz im Winter auf Straßen und Gehwegen auf diesem Prinzip basiert: Das Salz senkt den Gefrierpunkt des Wassers und verhindert so die Eisbildung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Hemmung der Wasserstoffbrückenbindung durch die Hydrathüllen der Salzionen den Gefrierpunkt des Wassers senkt und erklärt, warum Salzwasser erst bei deutlich niedrigeren Temperaturen gefriert als reines Wasser. Dieser scheinbar einfache Effekt hat weitreichende Konsequenzen für die Ökologie und Technik.