AhA: Warum schwimmen Eiswürfel oben?

Feste Körper sind eigentlich schwerer als flüssige. Eine Kerze geht im flüssigen Wachs unter, ein Metallklotz in der Schmelze ebenso. Das liegt daran, dass die Moleküle im Festkörper in der Regel enger beieinander liegen. Sie sind dichter gepackt, sagen Fachleute.

Wasser besitzt die ungewöhnliche Eigenschaft, dass es im flüssigen Zustand dichter ist als im festen. Deshalb schwimmen Eiswürfel oben und auf den Polarmeeren treiben sogar ganze Eisberge herum – wobei letztere etwas weiter aus dem Wasser herausschauen. Denn Eisberge entstehen aus Polareis, also verdichtetem Schnee, enthalten mehr Luftblasen und sind darum etwas leichter als Eiswürfel. Im salzigen Meerwasser bekommen sie außerdem mehr Auftrieb.

Wasser verhält sich bei langsamer Abkühlung zunächst wie andere Flüssigkeiten auch. Doch bei vier Grad Celsius erreicht es seine maximale Dichte. Sinkt die Temperatur weiter, dehnt es sich wieder aus. Im Alltag führt diese Anomalie manchmal zu unangenehmen Überraschungen: Gefüllte Flaschen können im Eisfach platzen, gefrorene Rohrleitungen im Winter bersten.

Wassermoleküle haben eine V-förmige Struktur: An der Spitze befindet sich ein Sauerstoffatom, an den beiden Enden die Wasserstoffatome, die sich wegen ihrer gleichnamigen Ladungen gegenseitig abstoßen. Das V ist ziemlich weit geöffnet, der Winkel beträgt mehr als 100 Grad.

Im Eiskristall schließen sich jeweils sechs Wassermoleküle zu einem Ring zusammen und werden durch starke Brückenbindungen zusammengehalten. „Eis besteht also aus lauter hexagonalen Ringen“, sagt Sérgio Henrique Faria, Experte für Eismechanik am Geowissenschaftlichen Zentrum der Uni Göttingen. „In dieser Struktur gibt es große Hohlräume, deshalb ist die Dichte von Eis so gering.“ In der Flüssigkeit dagegen seien die Wassermoleküle mehr oder weniger frei und blieben näher beieinander. Das Frieren ist kein abrupter Vorgang. Schon bei einer Temperatur von weniger als vier Grad bilden sich kleine Kristallcluster, die Dichte nimmt langsam ab.

Was Forscher wie Faria fasziniert: Die hexagonale Struktur, die auch der Symmetrie von Schneekristallen zugrunde liegt, ist nicht die einzig mögliche. Es gibt mindestens 13 weitere feste Formen von Wasser. Doch die wurden bislang nur im Labor und noch nicht in der Natur beobachtet.