Fortgeschritten #70

Bei niedrigen Temperaturen nimmt die Selbstdiffusion mit steigender Dichte und Druck zu

Entgegen der Intuition wird Wasser bei niedrigen Temperaturen unter Druck mobiler.

Wissenschaftliche Erklärung

Die Selbstdiffusion beschreibt, wie schnell sich ein einzelnes Wassermolekül durch seine Umgebung bewegt. Bei den meisten Flüssigkeiten verlangsamt Druck die Diffusion, da die Moleküle enger zusammengedrängt werden und weniger Platz für Bewegung haben. Kaltes Wasser (unterhalb von etwa 10 Grad Celsius) zeigt das Gegenteil: Die Selbstdiffusion nimmt mit steigendem Druck zu. Die Moleküle werden unter Druck beweglicher.

Wie bei der Viskositätsanomalie liegt die Ursache im Wasserstoffbrücken-Netzwerk. Bei niedrigen Temperaturen bildet Wasser ein ausgedehntes, käfigartiges Netzwerk, das die Moleküle in ihren Positionen einschränkt. Druck bricht Teile dieses Netzwerks auf, interstitielle Moleküle werden eingeschoben, und die starre Ordnung weicht einer dynamischeren Struktur. Das Ergebnis ist eine erhöhte Mobilität der einzelnen Moleküle.

Bei höheren Temperaturen (über etwa 30 Grad Celsius) ist das Netzwerk durch thermische Energie bereits so stark gestört, dass der normale Druckeffekt dominiert und die Diffusion wie erwartet mit dem Druck abnimmt.

Self-Diffusion of Water vs Pressure at Low Temperature Line chart showing that at low temperatures (below about 10 degrees C) the self-diffusion coefficient of water increases with pressure, contrary to most liquids. At higher temperatures the normal behavior of decreasing diffusion is observed. Self-diffusion (10⁻⁵ cm²/s) 3.0 2.0 1.0 0 50 100 150 200 Pressure (MPa) 1 °C 10 °C 40 °C increases (anomalous) decreases (normal) Self-Diffusion vs Pressure
Selbstdiffusionsköffizient von Wasser bei verschiedenen Temperaturen als Funktion des Drucks.

Alltagsrelevanz

Die erhöhte Diffusion kalten Wassers unter Druck hat Bedeutung für chemische und biologische Prozesse in der Tiefsee. In kalten, tiefen Ozeanschichten können gelöste Stoffe sich schneller verteilen, als man anhand des reinen Temperatureffekts erwarten würde. Dies beeinflusst den Transport von Nährstoffen und gelösten Gasen und damit die Lebensbedingungen von Tiefseeorganismen. Auch in der Hochdruckchemie, wo Reaktionen in Wasser unter Kilobardrücken durchgeführt werden, muss dieses anomale Diffusionsverhalten berücksichtigt werden.