Wasser schrumpft beim Schmelzen
Im Gegensatz zu den meisten Stoffen ist flüssiges Wasser dichter als festes Eis.
Wissenschaftliche Erklärung
Bei den meisten Stoffen ist die feste Phase dichter als die flüssige — die Moleküle rücken beim Erstarren enger zusammen. Wasser macht es genau umgekehrt: Wenn Eis schmilzt, schrumpft das Volumen um etwa 9 Prozent. Flüssiges Wasser ist also dichter als Eis, weshalb Eis auf Wasser schwimmt.
Der Grund liegt in der Kristallstruktur von Eis. Im Eiskristall bildet jedes Wassermolekül vier Wasserstoffbrückenbindungen zu seinen Nachbarn und ordnet sich in einer offenen, hexagonalen Gitterstruktur an. Diese Struktur enthält relativ viel leeren Raum — ähnlich wie ein Gerüst aus regelmässigen Sechsecken. Beim Schmelzen bricht dieses geordnete Netzwerk teilweise zusammen, und die Moleküle können sich näher aneinander lagern, obwohl sie sich freier bewegen. Das Ergebnis: weniger Volumen bei gleicher Masse, also eine höhere Dichte.
Schritt für Schritt
Eiskristall
Im Eiskristall bildet jedes Wassermolekül vier Wasserstoffbrückenbindungen. Die Moleküle ordnen sich in einer offenen, hexagonalen Gitterstruktur an -- mit viel leerem Raum zwischen den Molekülen.
Das Schmelzen
Beim Erwärmen bricht das geordnete Netzwerk zusammen. Die Wasserstoffbrücken lösen sich, und die Moleküle rücken näher zusammen. Sie bewegen sich freier, liegen aber dichter beieinander.
Volumenvergleich
Das Ergebnis: Flüssiges Wasser nimmt etwa 9 Prozent weniger Volumen ein als Eis. Gleiche Masse, weniger Platz -- die Dichte steigt beim Schmelzen, nicht beim Erstarren.
Die Anomalie
Bei den meisten Stoffen dehnt sich das Volumen beim Schmelzen aus. Wasser macht es genau umgekehrt: Es zieht sich zusammen. Deshalb schwimmt Eis auf Wasser -- und Seen frieren von oben zu.
Alltagsrelevanz
Dass Eis auf Wasser schwimmt, ist eine der bekanntesten Eigenschaften von Wasser — und eine der wichtigsten für das Leben auf der Erde. Im Winter frieren Seen und Flüsse von der Oberfläche her zu, während das Wasser darunter flüssig bleibt. So können Fische und andere Wasserlebewesen den Winter überleben.
Ohne diese Anomalie würden Gewässer vom Boden her zufrieren und im schlimmsten Fall komplett durchfrieren. Auch Eiswürfel im Getränk, Eisberge im Ozean und die Tatsache, dass Wasserrohre platzen können, wenn das Wasser darin gefriert, sind direkte Folgen dieser bemerkenswerten Eigenschaft.