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Warum schwimmt Eis immer oben? Das anomale Verhalten von Wasser

Eis ist kompakt und schwer. Trotzdem geht es im Wasser nicht unter. Das ist doch nicht normal, oder? Stimmt! Dahinter steckt eine besondere Anomalie, die nur das Wasser aufweist. Was es damit auf sich hat, erklärt unser Film.

Von: Rupert Ernhofer, ein Film von Wolfgang Voelker

Stand: 28.09.2012

Symbolbild: Treibeis im Nordatlantik | Bild: picture-alliance/dpa/Hinrich Bäsemann

Wenn es bei uns im Frühjahr taut, treiben und trudeln Eisschollen auf Flüssen und Seen. Und über die Polarmeere ziehen riesige Eisberge, gefrorene Kolosse mit gigantischen Massen. Bilder, die wir schon oft gesehen haben und immer wieder gerne sehen. Aber stopp! Wie kann das eigentlich sein? Normalerweise müssten die Eisschollen und Eisberge doch untergehen, genauso wie festes Kerzenwachs in flüssigem Kerzenwachs untergeht.

Warum Eisberge nicht sinken

Sie tun es ganz offensichtlich nicht. Eis schwimmt auf dem Wasser. Immer. In der Arktis genauso wie auf der Donau oder im Chiemsee. Aber warum ist das so?

Wasser, der etwas andere Stoff

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Weil sich Wasser in der Nähe des Eispunktes völlig anders verhält als andere Flüssigkeiten. Weil Wasser von der Regel abweicht und eine einzigartige, ganz spezifische Anomalie aufweist. Diese Anomalie des Wassers besteht darin, dass es bei einer Temperatur von 4 °C sein kleinstes Volumen und damit seine größte Dichte besitzt. Erst bei weiterer Abkühlung, wenn es vom Aggregatszustand flüssig in den Aggregatzustand Eis wechselt und gefriert, nimmt das Volumen wieder zu und die Dichte wieder ab. Und genau diese Anomalie erklärt das Geheimnis des schwimmenden Eises: Weil Eis eine geringere Dichte hat als Wasser, bleibt es immer oben auf. Darum gehen Eisberge und Eisschollen nicht unter.

Die Probe aufs Exempel: Der Reagenzglasbeweis

Experiment im Reagenzglas

Ein ganz einfacher Versuch kann das Prinzip der Wasseranomalität verdeutlichen. Dazu genügt es, ein mit Wasser gefülltes Reagenzglas in eine Eismischung zu stecken. Der Wasserstand steigt kontinuierlich an. Nimmt man das Reagenzglas heraus, so ist die untere Hälfte des Wassers gefroren. Wird das Reagenzglas etwas erwärmt, werden die Reibungskräfte des Eises mit der Glaswand aufgehoben, das Eisstück steigt nach oben.

Salz und Eis: Eine ganz besondere Mischung

Wasser und Eis sind noch für andere Überraschungen gut. Normalerweise gefriert Wasser bei 0°C. Gibt man Salz hinzu, bleibt es allerdings auch bei weitaus tieferen Temperaturen flüssig. Das Salz in dieser "Kältemischung" bewirkt, dass der Eispunkt von Wasser deutlich herabgesetzt wird. Die sogenannte Kältemischung hat bei einer Temperatur von ca. -16 °C noch die Eigenschaften einer Flüssigkeit. Diese Mischung ist "weich", aber nicht fest. In den Polregionen ist es allerdings so kalt, dass auch dieser Effekt nichts mehr bringt und das Salzwasser der Meere gefriert.

Schutz vor dem sicheren Kältetod

In strengen Wintern überziehen dicke Eisschichten Teiche, Seen und andere stehende Gewässer. Zum Glück für alle Wasserbewohner gefriert aber nur die oberste Schicht. In den darunter liegenden Schichten nimmt die Wassertemperatur zu, bis das Maximum von 4 °C erreicht ist. Aufgrund der Wasseranomalie können Fische, Krebse, Insekten und Pflanzen also auch dann überleben, wenn die Welt draußen im Forst erstarrt.

Wasseranomalie und Frostabwehr: Die Tricks der Natur

Alle höheren Lebewesen setzen aus der kleinsten Einheit aller Lebewesen, der Zelle zusammen. Diese Zellen bestehen zum größten Teil aus Wasser. Sobald es gefriert, sterben die Zellen und damit der Organismus unweigerlich ab. Um dem Kältetod vorzubeugen, haben Pflanzen einige raffinierte Strategien entwickelt. Die meisten Bäume und Sträucher werfen einfach ihre Blätter ab, bevor sie einfrieren können.

Eine andere Lösung haben die immergrünen Pflanzen gefunden. Sie bringen eine Zuckerlösung in ihre Blätter ein, die genauso wirkt wie das Salz in der Kältemischung: Weil der Zucker den Eispunkt senkt, halten die Blätter den Minusgraden unbeschadet Stand.

Wer knackt die Eisnuss?

Und noch ein Rätsel zum Schluss: Wie bekommt man einen Eiswürfel aus einem Wasserglas, ohne ihn mit den Fingern anzufassen? Kleiner Tipp: Als Hilfsmittel stehen ein Bindfaden und ein Salzstreuer zur Verfügung.


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