Kaltes flüssiges Wasser hat eine hohe Dichte, die bei Erwärmung zunimmt
Wasser erreicht seine maximale Dichte bei 3,984 Grad Celsius, nicht am Gefrierpunkt.
Wissenschaftliche Erklärung
Bei den meisten Flüssigkeiten nimmt die Dichte beim Abkühlen stetig zu — je kälter, desto dichter. Wasser folgt diesem Muster nur teilweise. Ab einer Temperatur von etwa 3,984 Grad Celsius kehrt sich der Trend um: Weiteres Abkühlen macht Wasser wieder leichter statt schwerer. Das Dichtemaximum liegt also nicht am Gefrierpunkt, sondern knapp 4 Grad darüber.
Dieses Verhalten entsteht durch das Wechselspiel zweier Effekte. Einerseits rücken die Moleküle bei Abkühlung näher zusammen (wie bei anderen Flüssigkeiten). Andererseits beginnen die Wassermoleküle unterhalb von etwa 4 Grad Celsius, verstärkt teträdrische Wasserstoffbrückenbindungen auszubilden — also Strukturen, die der offenen Eisstruktur ähneln. Diese eisähnlichen Bereiche nehmen mehr Platz ein und verringern die Dichte. Unterhalb von 3,984 Grad Celsius überwiegt dieser Struktureffekt, und die Dichte sinkt wieder.
Schritt für Schritt
Die Achsen
Wir betrachten die Dichte von Wasser bei verschiedenen Temperaturen. Die x-Achse zeigt die Temperatur von 0 bis 50 Grad Celsius, die y-Achse die Dichte in Gramm pro Kubikzentimeter.
Die Dichtekurve
Die Dichte steigt von 0 Grad Celsius an und erreicht ihren höchsten Wert nahe 4 Grad. Danach fällt sie gleichmässig ab -- wie bei den meisten Flüssigkeiten.
Das Maximum
Bei genau 3,984 Grad Celsius erreicht Wasser seine höchste Dichte: 0,99997 g/cm3. Dieser Punkt ist das Dichtemaximum -- und er liegt nicht am Gefrierpunkt, sondern 4 Grad darüber.
Die Anomalie
Während fast alle Flüssigkeiten beim Abkühlen stetig dichter werden, kehrt Wasser den Trend bei 4 Grad um. Das liegt an teträdrischen Wasserstoffbrücken, die mehr Platz beanspruchen. Deshalb frieren Seen von oben zu -- nicht von unten.
Alltagsrelevanz
Das Dichtemaximum bei 4 Grad Celsius ist einer der Gründe, warum tiefe Seen nicht komplett durchfrieren. Im Winter kühlt sich das Oberflächenwasser ab. Sobald es 4 Grad erreicht, ist es am schwersten und sinkt auf den Grund. Wasser, das weiter abkühlt, wird wieder leichter und bleibt an der Oberfläche, wo es schliesslich zu Eis gefriert. Unter der Eisdecke bleibt das Wasser bei etwa 4 Grad — kalt, aber flüssig genug für Fische und andere Organismen.
Auch in der Trinkwasserversorgung spielt diese Anomalie eine Rolle: Tiefenwasser in Seen ist im Winter oft wärmer als das Oberflächenwasser, was die Schichtung und Durchmischung von Seen beeinflusst.