Warum dehnt sich Wasser aus, wenn es gefriert?

Von geplatzten Flaschen im Tiefkühlfach bis zu Frostschäden auf der Straße: Wenn Wasser gefriert, braucht es mehr Platz als wenn es flüssig ist. Bei den meisten Flüssigkeiten und Gasen ist das anders, sie ziehen sich beim Abkühlen zusammen. Warum verhält sich ausgerechnet Wasser so ungewöhnlich?

Die meisten Stoffe dehnen sich beim Erwärmen aus und ziehen sich beim Abkühlen zusammen. Bei Gasen ist dieser Effekt besonders stark ausgeprägt, er gilt jedoch auch für Flüssigkeiten und feste Körper. Ein gutes Beispiel ist Luft in einem Luftballon: Am offenen Fenster bei kaltem Wetter schrumpft er zusammen, in der Nähe einer weit aufgedrehten Heizung kann er sogar platzen.

Moleküle brauchen Platz

Der Grund dafür liegt bei den Molekülen: Je wärmer ein Körper oder ein Gas wird, je mehr Energie man also zuführt, desto schneller bewegen sich die Moleküle darin. Dadurch stoßen sie wesentlich häufiger und stärker zusammen und brauchen mehr Platz – der Druck, den etwa Gasmoleküle auf die Hülle eines Ballons ausüben, steigt. Um denselben Druck beizubehalten, ist ein größeres Volumen nötig, und das Material dehnt sich aus.

Wasser benimmt sich jedoch anders: Kühlt man es ab, nimmt das Volumen bis zu einer Temperatur von ungefähr vier Grad Celsius ab. Das ist noch ganz so, wie man es auch erwartet. Unterhalb dieser Temperatur dehnt sich das Wasser jedoch wieder aus. Seine Dichte ist also bei etwa vier Grad am höchsten. Diese Eigenschaft bezeichnet man als die Dichteanomalie des Wassers.

Woher aber kommt nun diese Anomalie? Wieder sind die Moleküle verantwortlich: Ein Wassermolekül besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom – daher die chemische Formel H2O. Diese Atome ziehen die Elektronen im Wassermolekül jedoch unterschiedlich stark an sich. Dadurch entsteht am Wasserstoff ein leicht positiver Ladungsschwerpunkt, am Sauerstoff ein negativer. Treffen sich Wassermoleküle, fühlen sich die Wasserstoffatome des einenzu den Sauerstoffatomen des anderen hingezogen und richten sich dorthin aus – es entstehen sogenannte Wasserstoff-Brückenbindungen.

Brücken im Wasser brauchen noch mehr Platz

Durch diese Brücken gibt es auch im flüssigen Wasser noch Bereiche, in denen die Moleküle ähnlich wie im Eiskristall regelmäßig zueinander ausgerichtet sind. Diese sogenannten Cluster sind nicht so starr wie in einem festen Kristall: Besonders bei höheren Temperaturen verändern sie sich sehr schnell. Kühlt das Wasser jedoch ab, entstehen mehr und mehr Cluster, und sie halten auch länger. Allerdings brauchen sie auch mehr und mehr Platz: Unterhalb von etwa vier Grad Celsius dehnt sich das Wasser deshalb wieder aus. Unterhalb von null Grad nehmen die Kristall-Vorläufer dann Überhand und das Wasser gefriert.

Für viele Vorgänge in der Natur ist diese Besonderheit des Wassers wichtig, ja sogar überlebenswichtig: Weil Eis eine geringere Dichte hat als kaltes Wasser, schwimmt es obenauf. Dadurch frieren Gewässer von oben nach unten zu, am Grund sammelt sich dabei das dichteste Wasser mit einer Temperatur von vier Grad. Fischen und anderen Wasserbewohnern im Gartenteich etwa bleibt so auch im Winter ein Rest flüssiges Wasser mit erträglichen Temperaturen am Grund des Teiches, und sie frieren nicht ein.

17.01.2018 – AKR