Warum schwimmt Eis?

Warum schwimmt Eis? Das ist wohl eine der Fragen, die Kinder ihren Eltern stellen würden, neben den berüchtigten anderen wie, „warum ist der Himmel blau?“ und „warum ist die Erde rund?“.

Doch mal ehrlich, warum schwimmt Eis? Eis ist schwer, trotzdem geht es im Wasser nicht unter.

Nicht einmal die riesigen Eisberge in der Arktis gehen unter. Wie ist das möglich?

Das liegt am Wasser selbst, denn nur das Wasser besitzt diese besondere Eigenschaft, die sogenannte Dichteanomalie. Diese Besonderheit macht das rege Treiben der gigantischen Eisberge auf den Polarmeeren und die turbulenten Fahrten der Eisschollen auf unseren Flüssen möglich. 

Wasser erreicht, im Gegensatz zu anderen Flüssigkeiten, sein Dichtemaximum bei plus vier Grad, dann ist es auch am schwersten. Folglich ist gefrorenes Wasser leichter, hat eine geringere Dichte und schwimmt deshalb an der Wasseroberfläche.

Das sichert im Winter das Überleben der Wassertiere, die sich, während der kalten Jahreszeit, in tiefere Gewässer begeben, da es dort wärmer ist als an der Oberfläche. Dass das so ist, ist uns schon länger bekannt.

Forschern ist es bisher jedoch nicht gelungen, dieses Phänomen auch auf der molekularen Ebene zu erklären. Neue Erkenntnisse haben gezeigt, dass dabei nicht nur die Dichteanomalie eine wichtige Rolle spielt, sondern ebenfalls die sogenannten Van-der-Waals-Kräfte, die die Wechselwirkungen zwischen Molekülen und Atomen beschreiben, dafür verantwortlich sind.

Van-der-Waals-Kräfte

Die Molekülsorten des Wassers gehören zu den Dipolmolekülen. Das bedeutet, dass sie aus einem Sauerstoff- und zwei Wasserstoff-Atomen bestehen.

Dabei ist das Sauerstoff-Atom leicht negativ und die beiden Wasserstoff-Atome positiv polarisiert. Sie verhalten sich wie kleine Magneten, ziehen sich gegenseitig an und ermöglichen sogenannte Wasserstoffbrücken.

Andererseits bewirkt die Polarisation des Wassers, dass einige Wasserteilchen durch ihre positiven und negativen elektrischen Ladungen getrennt werden. Befindet sich Wasser im flüssigen Aggregatzustand, befinden sich die Moleküle relativ ungeordnet im flüssigen Wasser, kommt es zum Gefrieren des Wassers, ordnen sie sich zu einem festen Kristallgitter an.

Aber anstatt, dass die Moleküle dichter aneinander rücken, wird der Abstand, während des Erstarrens, zwischen ihnen größer. Dadurch dehnt sich das Wasser im festen Aggregatzustand und braucht mehr Platz.

Dass wiederum, führt zur Abnahme der Dichte, die dafür sorgt, dass das Eis nicht auf den Boden sinkt und dabei, das noch flüssige Wasser an die Oberfläche spült. Durch die Dichteabnahme bleibt das Eis an der Oberfläche und bildet eine geschlossene Schutzschicht, durch die Wärme nur noch gering entweichen kann.

Somit dient die Eisschicht, als eine Art natürliche Isolation für die unteren Wasserschichten und deren Bewohner. Die Volumenzunahme beim Gefrieren führt auch dazu, dass man Eis durch Druck wieder verflüssigen kann, im Gegensatz zu anderen Stoffen, die durch Druck verfestigt werden.

Da sich Eis im festen Aggregatzustand dehnt, sollte man auch nie eine volle Wasserflasche ins Gefrierfach stellen, da sie aufspringen könnte.

Die magische Mischung, Salz und Eis