Simulation: Dichteanomalie des Wassers

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Dichteanomalie des Wassers

Bei fast allen Stoffen ist der feste Stoff dichter als der flüssige: Beim Erstarren rücken die Teilchen näher zusammen. Wasser ist eine Ausnahme. Eis hat eine geringere Dichte als flüssiges Wasser und nimmt bei gleicher Masse mehr Raum ein; deshalb schwimmt Eis auf Wasser, und eine randvoll gefüllte, verschlossene Flasche kann im Gefrierfach platzen. Diese Ausnahme heißt Dichteanomalie des Wassers. Dazu gehört auch, dass flüssiges Wasser bei 4 °C seine größte Dichte hat; unter 4 °C nimmt seine Dichte wieder ab. Die Simulation zeigt dieselbe Anzahl Wasser-Moleküle als Eis, als flüssiges Wasser und als gasförmiges Wasser.

Die Oberflächen der Moleküle

• Jedes Molekül ist als ladungscodierte Elektronendichte-Oberfläche dargestellt: Die Fläche verbindet alle Punkte mit derselben Elektronendichte. Sie zeigt ungefähr, wie viel Raum ein Molekül einnimmt.
• Die Farbe zeigt das elektrische Potenzial an der Oberfläche: rot negativ (in der Nähe einer negativen Teilladung δ−), blau positiv (in der Nähe einer positiven Teilladung δ+).
• Sauerstoff-Atome sind viel elektronegativer als Wasserstoff-Atome (O 3,5, H 2,1): Die Bindungselektronen sind zum Sauerstoff-Atom hin verschoben. Am Sauerstoff-Atom entsteht eine negative Teilladung, an den beiden Wasserstoff-Atomen je eine positive. Weil die Bindungen polar sind und das Molekül gewinkelt gebaut ist, fallen die Schwerpunkte der Teilladungen nicht zusammen: Das Wasser-Molekül ist ein Dipol-Molekül.
• Mit halbtransparent scheinen die Atome und Bindungen als Kugel-Stab-Modell durch die Oberfläche, mit Kugel-Stab-Modell sind nur noch Atome und Bindungen zu sehen.

Wasserstoffbrücken

• Ein Wasserstoff-Atom mit positiver Teilladung wird von einem freien Elektronenpaar am Sauerstoff-Atom eines Nachbarmoleküls angezogen: eine Wasserstoffbrücke.
• Jedes Wasser-Molekül hat zwei Wasserstoff-Atome und am Sauerstoff-Atom zwei freie Elektronenpaare. Es kann deshalb mit bis zu vier Nachbarn Wasserstoffbrücken bilden; die vier Nachbarn liegen in den Ecken eines Tetraeders um das Molekül. Jede Wasserstoffbrücke verbindet zwei Moleküle: Im Eis gibt es deshalb doppelt so viele Wasserstoffbrücken wie Moleküle.

Eis, flüssiges Wasser und gasförmiges Wasser

• Eis: Jedes Molekül im Inneren ist über vier Wasserstoffbrücken mit vier Nachbarn verbunden. So entsteht ein regelmäßiges Gitter aus Sechsecken mit Hohlräumen. Im Kugel-Stab-Modell sind die sechseckigen Kanäle gut zu sehen, wenn du den Simulationsraum so drehst, dass du genau von vorn hineinschaust.
• Flüssiges Wasser: Beim Schmelzen bricht ein Teil der Wasserstoffbrücken auf. Die übrigen lösen sich ständig und bilden sich neu. Die Moleküle sind nicht an feste Plätze gebunden und können in die Lücken rücken. Sie liegen deshalb dichter beisammen als im Eis: Beim Schmelzen nimmt das Volumen ab.
• Gasförmiges Wasser: Die Moleküle bewegen sich einzeln und weit voneinander entfernt durch den Raum.

In der Simulation zeigen gestrichelte Linien die Wasserstoffbrücken; in der deckenden Darstellung von Eis sind sie ausgeblendet. Die orange Linie markiert, wie hoch das flüssige Wasser bei 20 °C im Simulationsraum steht; im Simulationsraum mit Eis ragt das Eis über diese Linie hinaus.

Dichte von Wasser und Eis

Stoff	Temperatur	Dichte
Eis	0 °C	0,917 g/cm³
flüssiges Wasser	0 °C	0,9998 g/cm³
flüssiges Wasser	4 °C	1,0000 g/cm³
flüssiges Wasser	20 °C	0,9982 g/cm³