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Behauptung: Wasser hat seine höchste Dichte bei 4°C bzw. 277 K.
In einer der letzten Chemiestunden wurde die Behauptung gestellt, dass Wasser bei 4°C bzw. 277 K die höchste Dichte hätte.
Umformung: Wasser hat im flüssigen Aggregatzustand (Wasser) eine höhere Dichte als im festen Zustand (Eis)
Wasser entscheidet sich bezüglich der Dichteänderung bei verschiedenen Temperaturen deutlich von anderen Stoffen. Während die Dichte von anderen Stoffen bei Abkühlung ständig zunimmt - die Stoffe ziehen sich zusammen -, hat Wasser die höchste Dichte in flüssigem Zustand.
I. Ladung der Wassermoleküle
Die Elektronen des bindenden Elektronenpaars (beP) zwischen Sauerstoff- und Wasserstoffatomen werden vom Sauerstoffatom stärker angezogen, als von den beiden Wasserstoffatomen. Das Sauerstoffatom ist somit negativ geladen (d-), wobei die beiden Wasserstoffatome positive Ladung (d+)haben.
Das Wassermolekül ist dipolig, d.h. die elektrischen Ladungen sind im Molekül aufgeteilt.
II. Wasserstoffbrücken
Durch diese Ladung der Wassermoleküle ziehen sich Wassermoleküle untereinander an, es können so genannte Wasserstoffbrücken gebildet werden.
Die Wasserstoffbrücken werden durch Bewegung zerstört.
Die Wassermoleküle bewegen sich in den verschiedenen Aggregatzuständen (Eis, Wasser, Wasserdampf) unterschiedlich stark; in Wasserdampf und Wasser stärker als im Eis.
Daraus lässt sich folgern, dass im Eis mehr Wasserstoffbrücken erhalten werden können, als im Wasser, geschweige denn im Wasserdampf.
III. Struktur von Flüssigkeit und Eis im Vergleich
Jedes Wassermolekül bildet im Eis Wasserstoffbrücken, im 37° heißen Wasser (Körpertemperatur) sind es nur 15%. Wie in der Zeichnung zu sehen, bleiben zwischen den Wassermolekülen, die im Eis mit Wasserstoffbrücken verbunden sind, große Zwischenräume. Im Wasser, wo nur wenige Wasserstoffbrücken auftreten, ist die Konzentration von Wassermolekülen pro Volumen höher. Anders ausgedrückt kann man sagen, dass Eis eine geringere Dichte (Masse pro Volumen) hat, als Wasser.
IV. Beweis
Jede Behauptung muss auch praktisch bewiesen werden können. Um den Beweis zu erhalten, füllt man ein Glas mit Wasser und legt einen Würfel Eis hinein. Man sieht, dass der Würfel an der Oberfläche des Wassers schwimmt.
Beachtet man jetzt den Satz, dass schwere (dichtere) Flüssigkeiten auf den Grund sinken und leichtere (weniger dichte) oben schwimmen (Wasser und Öl), ergibt sich, dass der Eiswürfel eine geringere Dichte haben muss, als das Wasser.
V. Zusammenfassung
Eis hat eine geringere Dichte als Wasser, weil im Eis aufgrund der geringeren kinetischen Energie mehr Wasserstoffbrücken erhalten bleiben können, als im Wasser, da die Brücken durch Bewegung zerstört werden.
Die Ausbildung von mehr Wasserstoffbrücken hat zur Folge, dass der Zwischenraum zwischen den Wassermolekülen größer ist, und somit die Konzentration von Masse pro Volumen sinkt.
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