Warum schwimmt Eis auf Wasser? Die lebensrettende Anomalie des Wassers

Wirfst du einen Eiswürfel in ein Glas Wasser, findest du es selbstverständlich, dass er nicht untergeht. Dabei ist das eine der seltsamsten Ausnahmen der Natur. Bei den meisten Stoffen ist die feste Form dichter als die flüssige und sinkt. Wasser bricht diese Regel – und diese kleine Eigenheit prägt das Leben auf der Erde.

Normalerweise sinken Feststoffe

Kühlt man einen Stoff ab, werden seine Moleküle langsamer und rücken zusammen. Beim Erstarren ordnen sie sich dicht an und brauchen weniger Platz als in der Flüssigkeit. Die feste Form ist deshalb meist dichter:

• Gefrorener Alkohol (Ethanol) sinkt in flüssigem Ethanol.
• Festes Wachs sinkt in flüssigem Wachs zu Boden.
• Erstarrtes Olivenöl sinkt in flüssigem Olivenöl.

Wasser macht genau das Gegenteil.

Das Geheimnis: Wasserstoffbrücken

Ein Wassermolekül (H₂O) besteht aus einem Sauerstoff- und zwei Wasserstoffatomen, die eine V-Form bilden. Sauerstoff zieht die Elektronen stärker an und ist daher leicht negativ geladen, die Wasserstoff-Enden leicht positiv.

Wegen dieses Unterschieds zieht das Wasserstoff-Ende eines Moleküls das Sauerstoff-Ende des Nachbarn an. Diese schwache, aber wichtige Anziehung heißt Wasserstoffbrücke.

• Im flüssigen Wasser bilden sich Wasserstoffbrücken ständig neu und brechen wieder. Die Moleküle drängen sich ungeordnet zusammen, dazwischen bleibt kaum Platz.
• Im Eis geht jedes Molekül mit vier Nachbarn feste Wasserstoffbrücken ein. Diese halten die Moleküle in festen Winkeln, und es entsteht ein sechseckiges Gitter mit Hohlräumen.

Eis braucht deshalb für dieselbe Zahl an Molekülen mehr Platz als flüssiges Wasser. Seine Dichte liegt bei etwa 0,92 g/cm³, die von flüssigem Wasser bei etwa 1,00 g/cm³. Dieser Unterschied von rund 9 % reicht, damit Eis schwimmt.

Dasselbe Sechseck-Gitter ist übrigens der Grund, warum Schneeflocken sechs Zacken haben.

Warum 4 Grad so wichtig sind

Die Eigenart des Wassers beschränkt sich nicht auf den Moment des Gefrierens. Beim Abkühlen nimmt seine Dichte zunächst zu und erreicht bei etwa 4 °C ihr Maximum. Unter 4 °C bilden die Moleküle bereits eisähnliche Strukturen, und das Wasser dehnt sich wieder aus. Man nennt das die Anomalie des Wassers.

In Seen hat das eine bemerkenswerte Folge:

1. Im Herbst kühlt das Oberflächenwasser ab, wird schwerer und sinkt.
2. Diese Durchmischung läuft, bis der ganze See etwa 4 °C hat.
3. Kühlt die Oberfläche dann unter 4 °C ab, wird sie leichter und bleibt oben.
4. Eis bildet sich an der Oberfläche und deckt das Wasser darunter ab wie ein isolierender Deckel.

Das Wasser am Seegrund bleibt den ganzen Winter über bei etwa 4 °C – Fische, Frösche und andere Lebewesen können dort überwintern.

Was wäre, wenn Eis sinken würde?

Verhielte sich Wasser wie die meisten Stoffe, würde Wintereis zu Boden sinken. Neues Eis bildete sich an der Oberfläche und sänke ebenfalls. Seen und flache Meere würden von unten nach oben zufrieren, und im Sommer könnte die Sonne nur die Oberfläche erwärmen.

Forschende vermuten, dass viele Gewässer in einer solchen Welt das ganze Jahr über weitgehend gefroren blieben und das Leben im Süßwasser ganz anders aussähe. Schwimmendes Eis hat vermutlich mitgeholfen, dass sich Leben unter Wasser über Jahrmillionen ununterbrochen halten konnte.

Die Ausdehnung des Wassers im Alltag

Dass sich Wasser beim Gefrieren ausdehnt, ist mal lästig, mal eine Naturgewalt:

• Geplatzte Flaschen und Rohre: Wasser nimmt beim Gefrieren etwa 9 % an Volumen zu. Deshalb reißen vergessene Glasflaschen im Gefrierfach oder Wasserleitungen im Winter.
• Gesprengte Felsen: Wasser dringt in Risse, gefriert nachts, dehnt sich aus und weitet den Riss. Über Jahre wiederholt, trägt diese Frostsprengung ganze Berge ab.
• Schlaglöcher: Wasser unter dem Asphalt gefriert und taut immer wieder – am Ende des Winters sind die Straßen voller Schlaglöcher.

Der unsichtbare Teil des Eisbergs

Meerwasser ist etwas dichter als Süßwasser (etwa 1,025 g/cm³). Eis hat rund 90 % dieser Dichte, deshalb liegen etwa neun Zehntel eines Eisbergs unter Wasser. Für Schiffe ist meist genau diese riesige, unsichtbare Masse unter der Oberfläche gefährlich.

Kurz gesagt

Eis schwimmt, weil Wasserstoffbrücken die Moleküle beim Gefrieren zu einem offenen Sechseck-Gitter ordnen, das leichter ist als flüssiges Wasser. Diese in der Natur seltene Eigenschaft sorgt dafür, dass Seen von oben zufrieren, Lebewesen am Grund überwintern und Schneeflocken sechs Seiten haben. Der Eiswürfel in deinem Glas führt dir ganz nebenbei eine der wichtigsten chemischen Eigenheiten unseres Planeten vor.