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Die Anomalie des Wassers beschreibt das physikalische Phänomen, dass Wasser bei 4 °C seine höchste Dichte erreicht und sich beim Gefrieren ausdehnt, anstatt sich wie andere Stoffe weiter zusammenzuziehen.
Die meisten Stoffe verringern ihr Volumen, wenn sie vom flüssigen in den festen Zustand übergehen, da sich die Teilchen bei sinkender Temperatur langsamer bewegen und enger zusammenrücken. Wasser zeigt jedoch ein außergewöhnliches Verhalten, das als Anomalie des Wassers bezeichnet wird.
Dieses Verhalten wird primär durch die Wasserstoffbrückenbindungen verursacht. Das sind elektrostatische Anziehungskräfte zwischen dem partiell positiv geladenen Wasserstoffatom eines Moleküls und dem freien Elektronenpaar des Sauerstoffatoms eines benachbarten Moleküls.
Wenn Wasser von hohen Temperaturen abgekühlt wird, nimmt seine Dichte (Masse pro Volumeneinheit) zunächst wie erwartet zu. Bei genau 4 °C (exakt 3,98 °C) erreicht Wasser jedoch sein Dichtemaximum. An diesem Punkt sind die Wassermoleküle so dicht wie möglich gepackt.
Kühlt das Wasser unter 4 °C ab, beginnen die Wasserstoffbrückenbindungen, die Moleküle in eine feste, weitmaschige Struktur zu zwingen. Es bildet sich ein Kristallgitter mit einer hexagonalen (sechseckigen) Symmetrie.
In diesem hexagonalen Gitter nehmen die Moleküle mehr Platz ein als im flüssigen Zustand, da sie durch die starren Bindungen auf Distanz gehalten werden. Es entstehen Hohlräume, wodurch das Volumen beim Gefrieren um etwa 9 % zunimmt.
Da das Volumen steigt, sinkt die Dichte. Dies erklärt, warum Eis (festes Wasser) eine geringere Dichte als flüssiges Wasser hat und somit an der Oberfläche schwimmt. In der Natur hat dies zur Folge, dass Gewässer von oben nach unten zufrieren.
Diese Schichtung ist lebenswichtig: Da das schwerere Wasser mit 4 °C zum Boden sinkt, bleibt es dort flüssig und ermöglicht Fischen und anderen Organismen das Überleben im Winter, während die Eisschicht an der Oberfläche als Isolator wirkt.
