Anomalie des Wassers
Die Anomalie des Wassers beschreibt das Phänomen, dass Wasser bei 3,98 °C die höchste Dichte (1 g/cm³ bei Normdruck) besitzt.
Im festen Aggregatzustand – hier Eis – wird normalerweise eine hohe Ordnung meist in Form eines Kristallgitters erreicht. Im flüssigen Zustand herrscht eine Mischung von Ordnung und Chaos; die Moleküle brauchen durch ihre höhere Geschwindigkeit mehr Platz. Darum erhöht sich das Volumen, und die Dichte wird geringer. Im gasförmigen Zustand ist die maximale Unordnung erreicht und die Atome brauchen maximalen Raum für die Bewegung.
Die Anomalie des Wassers entsteht durch den Bindungswinkel zwischen den einzelnen Atomen des Wassermoleküls. Wasser ist ein Dipol, darum ordnen sich die Wasserstoffatome mit den Sauerstoffatomen über Wasserstoffbrückenbindungen an. Dadurch ist die resultierende Struktur im festen Zustand größer als bei beweglichen Molekülen. Dies ist ein fortschreitender Vorgang; d.h., dass schon im flüssigen Zustand sogenannte Cluster aus Wassermolekülen vorhanden sind. Bei 3,98 °C ist der Zustand erreicht, bei dem die einzelnen Cluster das geringste Volumen einnehmen und damit die größte Dichte haben. Wenn die Temperatur weiter sinkt, wird durch die weiteren Kristallstrukturen mehr Volumen benötigt. Wenn die Temperatur steigt, benötigen die Moleküle wieder mehr Bewegungsfreiraum, und das Volumen wächst.
Ökologische Bedeutung
Die Wasseranomalie ist wichtig für das Leben in Gewässern kalter Klimazonen, denn sie hat zur Folge, dass Seen und Flüsse bei Temperaturen unter null von oben zufrieren. Die entstehende Eisschicht ist ein schlechterer Wärmeleiter als flüssiges Wasser und wirkt isolierend, sodass das Wasser darunter weniger schnell abkühlt. Dadurch wird ein vollständiges Durchfrieren in vielen Fällen verhindert. So können etwa Fische in den tieferen Wasserschichten überleben. Außerdem sorgt die Wasseranomalie für eine bessere Durchmischung tiefer liegender Wasserschichten mit gelösten Gasen und Nährstoffen.
