Naturwissenschaft im Alltag
Eis, Schnee, Wasser: Zustandsfor- men des Wasserstoffoxids
Wir sind gerade zurück aus einem wunderschönen Urlaub mit märchenhaft verschneiten Bäumen, Eisblumen an Fensterscheiben, Eiszapfen in plätschernden Bächen und Sonnenschein - was für ein Genuss! Wasser ist das einzige "Element", das wir in allen drei Aggregatzuständen in der Natur antreffen können; Fest (Eis, Schnee), flüssig (Bäche, Meere, Seen) und gasförmig (Wasserdampf). Chemisch ist Wasser eine Sauerstoffverbindung des Wasserstoffs, die durch Verbrennung von Wasserstoff entsteht:
H2 + ½ O2 → H2O ∆H = -286,0 kJ
Aufgrund der großen Elektronegativitätsdifferenz zwischen Wasserstoff und Sauerstoff zeigt das Wassermolekül ein starkes Dipolmoment und dadurch ungewöhnliche Eigenschaften: So eignet es sich z.B. gut als Lösungsmittel, ermöglicht die Oberflächenspannung des Wassers Wasserläufern sich auf der Wasseroberfläche zu bewegen, kristallisiert Eis in hexagonalen Kristallen, schwimmt Eis auf dem Wasser und ermöglicht somit auch in zugefrorenen Seen ein Leben unter Wasser usw.
Im Urlaub haben wir unfreiwilig das Experiment einer platzenden Wasserflasche erlebt. Auch im Winter lassen sich durch Beobachtungen und Experimente mit Eis und Schnee Erkenntnisse gewinnen. Siehe auch meinen blog-Artikel "Sommerzeit, Eis-Zeit, Zeit für Eis-Experimente und Eis-Rezepte"
Eisblumen, Eiskristalle, Eiszapfen
Wasser gefriert unter normalen Bedingen bei 0°C zu Eis. Je nach Druck und Temperatur tritt das Eis in verschiedenen Erscheinungsformen auf. Bei 0°C und unter normalem Druck erstarrt Wasser zu einer hexagonalen Form. (Schüler Duden Chemie, 1995, S.422f.) Auf dem Foto links oben lässt sich meines Erachtens ganz gut die regelmäßige Anordnung der Eiskristalle beobachten. Wir nennen sie auch Eisblumen, weil sie uns an die Form von Pflanzen erinnern. Diese Eisblumen an der Fensterscheibe unseres Autos sind eher sternförmige Eiskristalle (Dendriten). Auf der Schneeoberfläche (s. Foto oben rechts) lassen sich prismenförmige Schnee- bzw. Eiskristalle erkennen, die so wunderschön in der Sonne glitzerten. Die Art des Kristallwachstums hängt von der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit ab. Je tiefer die Temperatur desto eher entstehen Plättchen oder Prismen, je höher die Temperatur desto eher entstehen Sterne.
Die regelmäßige Anordnung der Eiskristalle entsteht dadurch, dass die Wassermoleküle über Wasserstoffbrücken so miteinander verknüpft sind, dass jedes Sauerstoffatom des Wassermoleküls tetraedisch von 4 weiteren Sauerstoffatomen umgeben ist. Dadurch entsteht ein hochpolymerer fester Verband aus Makromolekülen (Riesenmolekülen). "Sechs Wassermoleküle schließen sich dabei über Wasserstoffbrücken jeweils zu einem Ring zusammen, wobei jedes Molekül ebenfalls Teil von zwei benachbarten Ringen ist. Die hexagonale Symmetrie der Kristallstruktur spiegelt sich in der makroskopischen Gestalt der Eiskristalle wider."(wikipedia)
Eis-Experimente
Wie oben erwähnt haben wir im Urlaub unfreiwillig ein Eis-Experiment gemacht: Wir haben über Nacht eine Glasflasche mit Mineralwasser im Auto liegen gelassen. Am nächsten Morgen war aus dem Wasser Eis geworden und die Flasche geplatzt. Die auch im Auto liegenden Weinflaschen waren zum Glück nicht geplatzt.
Heute Nachmittag habe ich im Garten Schnee gesammelt und in den 100ml Messzylinder gefüllt. Aus den etwas mehr als 100ml Schnee ist bei Zimmertemperatur in ca. einer Stunde 40ml Wasser geworden.
Wie lässt sich das erklären?
Die Erklärung und weitere Experimente später.
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