Die Anzahl der nächsten Nachbarn nimmt mit der Temperatur zu

Wissenschaftliche Erklärung

In normalen Flüssigkeiten nimmt die Zahl der nächsten Nachbarn bei Erwärmung ab, weil die Moleküle stärker schwingen und sich im Durchschnitt weiter voneinander entfernen. Bei flüssigem Wasser geschieht das Gegenteil: Mit steigender Temperatur wächst die Koordinationszahl von etwa 4,4 bei 0 Grad Celsius auf rund 5,0 bei 80 Grad Celsius.

Dieses Verhalten spiegelt den fortschreitenden Zusammenbruch der eisähnlichen Strukturen wider. Bei tiefen Temperaturen bewahrt flüssiges Wasser noch viele teträdrisch koordinierte Bereiche, in denen jedes Molekül ungefähr vier Nachbarn hat — ähnlich wie im Eis. Diese offene Anordnung lässt Lücken in der Nahordnung. Bei Erwärmung werden die Wasserstoffbrückenbindungen zunehmend aufgebrochen und verbogen, die teträdrische Ordnung geht verloren, und Moleküle aus weiter entfernten Positionen können in die Lücken vordringen.

Röntgen- und Neutronenbeugungsmessungen bestätigen diesen Trend. Die radiale Verteilungsfunktion von Wasser zeigt bei höheren Temperaturen eine Abflachung der Strukturpeaks, was auf mehr, aber weniger geordnete Nachbarn hindeutet.

Alltagsrelevanz

Dieses Phänomen erklärt, warum sich die physikalischen Eigenschaften von Wasser mit der Temperatur anders ändern als erwartet. Die zunehmende Zahl von Nachbarn bei Erwärmung trägt dazu bei, dass heisses Wasser in mancher Hinsicht “normaler” wird als kaltes: Es verhält sich bei hohen Temperaturen ähnlicher wie andere Flüssigkeiten, während kaltes Wasser durch seine eisähnliche Struktur besonders anomal ist. Dieses Verständnis ist wichtig für die Ozeanografie, die Klimaforschung und überall dort, wo die Temperaturabhängigkeit der Wassereigenschaften eine Rolle spielt.