Die Anzahl der nächsten Nachbarn nimmt beim Schmelzen zu

Wissenschaftliche Erklärung

In den meisten Stoffen haben die Moleküle in der festen Phase mehr nächste Nachbarn als in der flüssigen, weil sie dichter gepackt sind. Bei Wasser ist es umgekehrt: Im Eiskristall hat jedes Molekül genau vier nächste Nachbarn in einer strengen teträdrischen Anordnung (Koordinationszahl 4). Beim Schmelzen steigt diese Zahl auf etwa 4,7 — es kommen also Nachbarn hinzu.

Dieses paradoxe Verhalten erklärt sich durch die ungewöhnlich offene Struktur von Eis. Die teträdrische Anordnung im Eis Ih lässt zwischen den vier Nachbarn Lücken, die in der Flüssigkeit teilweise gefüllt werden. Beim Schmelzen bricht die strenge Ordnung zusammen, und Moleküle, die vorher weiter entfernt in der zweiten Schale sassen, rücken näher an das Zentralmolekül heran. Die Wasserstoffbrückenbindungen werden dabei teilweise gebogen oder gebrochen, aber die höhere Unordnung erlaubt eine dichtere Packung mit mehr Nachbarn in der nächsten Umgebung.

Neutronenstreumessungen bestätigen diese Zunahme der Koordinationszahl beim Übergang von Eis zu flüssigem Wasser. Der Effekt ist direkt mit der Volumenschrumpfung beim Schmelzen verknüpft (Anomalie 16).

Alltagsrelevanz

Dieses Phänomen erklärt im Kern, warum Eis auf Wasser schwimmt. Die offene Struktur mit nur vier Nachbarn pro Molekül macht Eis voluminöser als die Flüssigkeit, in der die Moleküle näher zusammenrücken können. Was auf den ersten Blick wie ein technisches Detail der Molekülphysik wirkt, hat grundlegende Bedeutung für die Ökosysteme unserer Gewässer und das Klima der Erde.