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Warum gefriert Wasser zu Eis?

Wenn es kalt genug ist, dann gefriert Wasser zu Eis – eine Tatsache, die wohl jedem von uns bekannt sein sollte. Spätestens das erfrischende Wassereis im Sommer ruft uns das Phänomen immer wieder ins Gedächtnis. Doch warum gefriert das Wasser überhaupt und was genau passiert bei diesem Prozess mit der Flüssigkeit? Wir haben die Antworten parat!

Warum Wasser zu Eis gefriert erklärt
Beim Gefrieren von Wasser zu Eis entstehen teils wunderschöne Eiskristalle

Der Gefrierprozess von Wasser erklärt

Um verstehen zu können, wie der Gefrierprozess von Wasser abläuft, werfen wir zuerst einen Blick auf die kleinsten Bestandteile des Stoffes: die Wassermoleküle. Sie sind für gewöhnlich in Bewegung – und bewegen sich bei steigender Temperatur immer schneller. Sinkt die Temperatur jedoch und kühlt drastisch ab, so verlangsamen sich auch die Wassermoleküle. Erreicht das Thermometer den Nullpunkt, null Grad Celsius bzw. steigt noch tiefer hinab, dann erstarren die Moleküle ganz. Dies wiederum führt dazu, dass das flüssige Wasser zu festem Eis wird, bzw. sich Kristallstrukturen bilden.

Den Mythos, dass warmes Wasser schneller gefriert als kaltes, haben wir im Übrigen bereits schon einmal genauer beleuchtet.

Die Entstehung von Eiskristallen

Sobald die Temperaturen unter den Gefrierpunkt gefallen sind, kommt es zu einer gesteigerten anziehenden Wechselwirkung zwischen den einzelnen Wassermolekülen. Diese ist nunmehr größer als die thermische Anregung, die sie bei Plusgraden auseinandertreibt. Stattdessen kommt es nun zur Ausbildung von Kristallstrukturen. Ihre Form setzt sich wie folgt zusammen: jedes Wassermolekül ist im Kristall von vier weiteren umgeben, was die Bezeichnung „tetraedrisch“ ausdrückt. Parallel hierzu sind stets sechs Wassermoleküle zu einem Ring vereint, was von Chemikern auch als „hexagonal“ bezeichnet wird.

Wasser dehnt sich beim Gefrieren aus

Anders als bei den meisten anderen Stoffen, dehnt sich Wasser beim Gefrieren aus. Die im Eiskristall verketteten Moleküle benötigen nämlich mehr Platz, als es im flüssigen Zustand der Fall ist. Das Eis hat dadurch eine geringere Dichte als Wasser, weshalb es auch an der Wasseroberfläche schwimmen kann.

Auf der Erde kommt unter natürlichen Bedingungen übrigens nur eine Art von Eis vor. Andere Eisarten kommen nur unter „unnatürlichen“ Bedingungen vor. Zum Beispiel bei sehr niedrigen Temperaturen und/oder höherer Druckeinwirkung. Der Wissenschaft sind bis dato 14 unterschiedliche kristalline Eisvarianten bekannt.

Anders als beim Großteil aller anderen Flüssigkeitsformen, sinkt die Schmelztemperatur von Eis, wenn es zu einer Erhöhung des Druckes kommt. Das Wasser gefriert deshalb erst dann, wenn das Thermometer unter null Grad Celsius klettert.

So entsteht Schnee

Von Wasser, zu Eis, zu Schnee. Doch warum schneit es? Auch wenn wir diese Frage schon an anderer Stelle beantwortet haben, möchten wir sie an dieser Stelle noch einmal kurz zusammenfassen. Bei der Entstehung von Schnee entfaltet sich ein Eiskristall frei im Raum (bzw. Fall) – seine Strukturen breiten sich periodisch in sämtliche Richtungen aus. Der Schnee setzt sich aus vielen separaten und fein verästelten Eiskristallen zusammen. Feinste Wassertropfen in Verbindung mit einem Kristallisationskern wie beispielsweise einem Staubkorn sorgen dabei dafür, dass sich die einzelnen Kristalle bilden können.

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