Was geschieht mit Wasser beim Gefrieren?
Beim Gefrieren bilden die Wassermoleküle Kristalle. Die Moleküle sind dabei über so genannte Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbunden. Sie beruhen auf schwachen elektrostatischen Anziehungskräften zwischen den positiv geladenen Wasserstoffatomen und den negativ geladenen Sauerstoffatomen der Wassermoleküle. Diese Bindungen gibt es auch im flüssigen Wasser. Allerdings werden sie dort ständig umgebaut. Innerhalb von Pikosekunden lösen sich Bindungen und neue werden geknüpft. (Eine Pikosekunde entspricht einem Millionstel einer Millionstel Sekunde.)
Sinkt die Temperatur (bei Normaldruck) unter den Gefrierpunkt von null Grad Celsius, wird die anziehende Wechselwirkung zwischen den Wassermolekülen größer als die thermische Anregung. Die Kristallstruktur kann sich ausbilden. Im Kristall ist jedes Wassermolekül von vier anderen umgeben. Diese Struktur wird als tetraedrisch bezeichnet. Gleichzeitig sind immer sechs Wassermoleküle zu einem Ring zusammengeschlossen. Chemiker bezeichnen dieses Kristallgitter als hexagonal.
Erleichtert wird der Kristallisationsprozess durch so genannte Kristallisationskeime, die durch Störungen in Form von Staubpartikeln oder leichte Erschütterungen gebildet werden. Ohne diese Kristallisationskeime, also wenn das Wasser sehr rein ist und es sich zudem um eine kleine Menge von wenigen Mikrolitern handelt, kann Wasser bis auf minus 38 Grad Celsius abgekühlt werden, ohne zu Eis zu werden. Dieses unterkühlte Wasser befindet sich in einem metastabilen Zustand.
Beim Gefrieren dehnt sich Wasser aus. Die Moleküle im Eiskristall beanspruchen mehr Raum als im (flüssigen) Wasser. Eis hat also eine geringere Dichte und kann auf dem Wasser schwimmen. Ist das Wasser erst einmal gefroren, ändert sich die Dicht nicht mehr relevant. Unter natürlichen Bedingungen auf der Erde kommt nur eine Form von Eis vor. Bei höheren Drücken und/oder niedrigeren Temperaturen treten davon abweichende Formen auf. Bisher sind 14 verschiedenen kristalline Eisformen bekannt. Sie unterscheiden sich voneinander durch die Abstände der Sauerstoffatome, im Wesentlichen aber durch verschiedene Positionen der Wasserstoffatome. Darüber hinaus gibt es noch amorphe Eisformen, die keine geordnete Kristallstruktur aufweisen. Im Weltraum wurde bisher nur amorphes Eis gefunden.
Anders als bei den meisten anderen Flüssigkeiten sinkt die Schmelztemperatur von Eis, wenn der Druck erhöht wird. Wasser gefriert dann erst bei Temperaturen unter null Grad Celsius. Chemiker bezeichnen das als Druckanomalie des Wassers. Diese ermöglicht Eislaufen. Durch den Druck, den das Gewicht des Eisläufers auf das Eis ausübt, sinkt die Schmelztemperatur und die oberste Eisschicht taut. Auf diesem Wasserfilm kann der Eisläufer prima dahin gleiten.
Im Eis setzt sich die Kristallstruktur in alle Richtungen periodisch fort. Wenn ein Eiskristall jedoch frei in den Raum wachsen kann, entsteht Schnee. Dieser besteht aus vielen einzelnen, filigran verästelten Eiskristallen. Die einzelnen Kristalle entstehen dadurch, dass sich feinste Wassertröpfchen an einen Kristallisationskern z.B. Staubteilchen anlagern und gefrieren.
Die Temperatur des Eises in Eislaufhallen liegt bei etwa minus vier Grad Celsius. Eine tiefere Kühlung wäre zu energieintensiv. Höher sollte die Temperatur wegen des Wärmetransports nicht sein. Die Luft in der Halle hat eine deutlich höhere Temperatur und würde die obere Eisschicht antauen. Das minus vier Grad kalte Eis kühlt jedoch gleichzeitig von unten, so dass die Eisschicht auch an der Oberfläche fest genug bleibt. Inzwischen gibt es erfolgreiche Bemühungen, Kunsteis energiesparend bei minus zwei Grad herzustellen.
Die Frage wurde beantwortet von Prof. Dr. Ralf Ludwig, Abteilung Physikalische Chemie der Universität Rostock.