Warum bilden sich beim Gefrieren von Wasser Eiskristalle?
Um zu verstehen, warum durch das Gefrieren von Wasser so schöne Formen wie Eiskristalle, Schneeflocken oder Eisblumen entstehen, muss man sich die Molekülstruktur des Wassers genauer ansehen.
Wassermoleküle (H2O) bestehen aus drei Atomen: Ein leicht negativ geladenes Sauerstoff-Atom (O) bindet jeweils zwei leicht positiv geladene Wasserstoffatome (H). Im flüssigen oder gasförmigen Zustand (als Wasserdampf) bewegen sich die Moleküle frei im Raum. Wenn die Temperatur sinkt und Wasser zu Eis gefriert, verbinden sich die einzelnen Wassermoleküle miteinander. Und zwar sehr symmetrisch, nämlich in Form von Sechsecken, die durch die Anlagerung weiterer Moleküle zu einem dreidimensionalen sechseckigen Gitter wachsen. Chemiker nennen diese entstehende Struktur ein „hexagonales Kristallsystem“.
„Wir haben kürzlich in einem Experiment herausgefunden, dass bereits 475 Wassermoleküle einen Eiskristall bilden“, erklärt Prof. Dr. Udo Buck vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation. „Davor ging man von rund 1000 Molekülen als Minimum für einen kompletten Kristall aus.“ Bei entsprechender (Luft-)Feuchtigkeit und Temperatur können Eiskristalle durch die Anlagerung von immer mehr Wassermolekülen bzw. anderen Eiskristallen sehr schnell wachsen.
Bei wie vielen Minusgraden flüssiges oder gasförmiges Wasser kristallisiert bzw. gefriert, hängt von der Reinheit und Sauberkeit des Wassers ab. Destilliertes, d.h. gereinigtes, Wasser kann sogar bis zu minus 70 Grad Celsius unterkühlt werden, ohne dass sich die Wassermoleküle zu Eiskristallen verbinden. „Kleinste Verunreinigungen im Wasser wie Staubpartikel können jedoch die Eiskristallbildung beschleunigen, da sich die Wassermoleküle an diese Partikel anlagern und so schneller einen kristallinen Festkörper bilden“, erklärt Prof. Dr. Udo Buck. Mit solchen sogenannten Kristallisationskeimen im Wasser als Starthilfe können schon ab 0 Grad Celsius Kristalle entstehen. Je mehr Verunreinigungen das Wasser enthält, desto höher kann die Temperatur sein, bei der sich die Kristalle zu bilden beginnen.
Obwohl alle Eiskristalle auf derselben Grundform basieren, können sie durch Überlagerung ganz unterschiedliche Formen und Größen annehmen: vom einfachen Plättchen oder Prisma bis hin zur stark verzweigten Eisblume oder Schneeflocke, die jeweils aus vielen einzelnen, filigran verästelten Eiskristallen bestehen. Faszinierende Schönheiten, von denen wir uns im Winter gerne verzaubern lassen.
(Redaktion WiD: cg)