Die Dichteanomalie des Wassers: Warum Eis schwimmt

Kurz: Die meisten Stoffe werden beim Abkühlen dichter und sind als Feststoff schwerer als ihre Flüssigkeit. Wasser ist eine Ausnahme: Es ist bei etwa 4 °C am dichtesten, und Eis ist leichter als flüssiges Wasser.

Genauer: Beim Gefrieren ordnen sich die Wassermoleküle über Wasserstoffbrücken in einem offenen, sechseckigen Gitter an. Dieses Gitter braucht mehr Platz als die ungeordneten Moleküle im flüssigen Wasser, deshalb dehnt sich Wasser beim Gefrieren um etwa neun Prozent aus.

Im Detail

• Eis schwimmt: Weil Eis weniger dicht ist als Wasser, treibt es oben. Bei einem Eisberg ragt nur etwa ein Zehntel aus dem Wasser, der Rest liegt darunter.
• Dichtemaximum bei 4 °C: Kühlt Wasser unter 4 °C weiter ab, dehnt es sich bereits wieder leicht aus, obwohl es noch flüssig ist.
• Seen frieren von oben zu: Im Herbst sinkt kaltes Oberflächenwasser ab, bis der ganze See etwa 4 °C hat. Danach bleibt das kältere, leichtere Wasser oben und gefriert zuerst.
• Überleben im Winter: Die Eisdecke isoliert, und am Grund tiefer Seen bleibt das Wasser meist um 4 °C. So können Fische und andere Lebewesen überwintern.
• Geplatzte Rohre: Gefriert Wasser in einer Leitung oder Flasche, kann die Ausdehnung das Material sprengen. Leitungen in ungeheizten Räumen sollte man im Winter deshalb entleeren oder schützen.
• Frostsprengung: Dringt Wasser in Felsritzen ein und gefriert, weitet es die Spalten. Wiederholt sich das oft, zerfällt Gestein allmählich, und auf Straßen entstehen Schlaglöcher.
• Andere Ausnahmen: Auch einige andere Stoffe wie Silizium, Gallium oder Bismut dehnen sich beim Erstarren aus, bei Alltagsstoffen ist Wasser aber die auffälligste Ausnahme.
• Bedeutung für das Leben: Würde Eis sinken, könnten Gewässer von unten her durchfrieren. Die Anomalie ist daher wichtig für das Leben in Seen und Meeren.
• Zusammenhänge: Wasser in seinen Zuständen, Schwimmen und Verwitterung (aggregatzustaende, auftrieb-und-archimedes, gesteine-und-gesteinskreislauf).