Die Oberfläche von Wasser ist dichter als die Masse
Die Oberflächenschicht von Wasser weist eine höhere Dichte auf als das Innere.
Wissenschaftliche Erklärung
Intuitiv würde man erwarten, dass die Oberfläche einer Flüssigkeit weniger dicht ist als ihr Inneres, da den Oberflächenmolekülen Nachbarn auf einer Seite fehlen. Bei Wasser ist dies jedoch nicht der Fall: Messungen zeigen, dass die oberflächennahe Schicht eine höhere Dichte aufweist als das Bulk-Wasser darunter.
Dieses Phänomen hängt mit der Neuordnung der Wasserstoffbrückenbindungen an der Oberfläche zusammen. Im Inneren bildet Wasser ein lockeres dreidimensionales Netzwerk mit vielen teträdrisch koordinierten Bindungen. An der Oberfläche fehlen Bindungspartner auf der Luftseite, und die verbliebenen Moleküle ordnen sich kompakter an. Die Wasserstoffbrückenbindungen werden in der Oberflächenschicht stärker und gerichteter, was die Moleküle näher zusammenrücken lässt. Dieser Verdichtungseffekt überwiegt den erwarteten Auflockerungseffekt.
Neutronenstreuungs- und Röntgenreflexionsmessungen haben bestätigt, dass die oberflächennahe Schicht (die obersten ein bis zwei Nanometer) tatsächlich eine höhere Dichte hat als das Innere. Dieser Effekt ist eng mit der hohen Oberflächenspannung von Wasser verknüpft.
Alltagsrelevanz
Die erhöhte Dichte der Wasseroberfläche trägt zur aussergewöhnlich hohen Oberflächenspannung bei, die viele Alltagsphänomene erklärt: Insekten, die auf dem Wasser laufen, Büroklammern, die auf der Oberfläche liegen bleiben, und Wassertropfen, die eine nahezu kugelförmige Gestalt annehmen. All diese Effekte wären weniger ausgeprägt, wenn die Oberfläche weniger dicht und damit weniger stabil wäre.