Versuch 71: Dichteanomalie von Wasser - Einleitung

Eiswürfel schwimmen im Wasser. Eisschollen schwimmen im Wasser. Das Eis auf dem zugefrorenen See? Ja genau, es schwimmt auch auf dem darunter liegenden Wasser! Doch warum schwimmt das Eis eigentlich auf dem See und geht nicht unter?

Werfen wir einen Seitenblick in die Physik. Grund für die Option, in Flüssigkeiten wie dem Wasser zu schwimmen, ist eine Kraft, die gegen die Schwerkraft gerichtet ist – die Auftriebskraft. Das archimedische Prinzip beschreibt sie. Im Fall des Schwimmens ist diese Kraft gleich der Gewichtskraft des Objektes. Beide Kräfte stehen im Gleichgewicht. (Das stellt sich nicht nur in der Chemie, sondern auch in der Physik ein.) Ist die Gewichtskraft größer als die Auftriebskraft sinkt der Körper in der Flüssigkeit, ist sie kleiner, steigt der Körper nach oben.

Soweit eine schöne Betrachtung, doch was ist diese Auftriebskraft genau und wie entsteht sie? Taucht ein Körper ins Wasser verdrängt er es. An den Seiten des Körpers herrscht der gleiche Druck, ausgelöst durch das Wasser. Das können wir also erst einmal außen vor lassen. In die Tiefe gehend nimmt der Wasserdruck allerdings zu (da das Wasser darüber "draufdrückt"). Er ist also an der Unterseite des Körpers höher, als an der Oberseite(selbst bei kleinsten Dingen ist das so). Der Druck ist eine Art der Beschreibung einer Kraft, die auf eine Fläche (hier die des Körpers) wirkt. Ist der Druck am unteren Ende des Körpers höher ist dort auch die Kraft auf den Körper größer; er wird nach oben bewegt, bis sich das schon erwähnte Gleichgewicht einstellt.

Das vorliegende Experiment zeigt dem Namen zu Folge die Dichteanomalie des Wassers. Eis schwimmt auf dem Wasser; andere feste Stoffe schwimmen aber nicht in ihren flüssigen Formen (z.B. Wachs in Wachs). Die Dichte scheint eine wesentliche Rolle zu spielen. Welche soll das Experiment beantworten. Hier sei nur noch erwähnt, dass wir zur Beschreibung des Auftriebs auf die Dichte zu sprechen kommen müssen.

Sie ist das Verhältnis zwischen Masse und Volumen eines Körpers. Betrachten wir zwei Körper gleicher Volumina wird der Zusammenhang zum Auftrieb klar. Die höhere Masse führt zu einer höheren Gewichtskraft, die den Körper sinken lässt. Eine möglichst geringe Dichte ist dem Schwimmen also sehr zuträglich. Na klar, Styropor, ein Luftballon oder auch ein (innen hohles) Boot schwimmen doch sehr gut – ihre Dichte ist gering. Nun aber genug der Physik. Bestaunen wir eine besondere Eigenschaft des Wassers: seine Dichteanomalie!

Sicherheitssymbole

Demonstrationsversuch Schutzbrille tragen! Im Abzug arbeiten! Ätzend Neutralisieren!

Chemikalien

  • konz. Essigsäure
  • Wasser
  • Wachs/ Teelicht

Materialien

  • Dreifuß
  • Keramikdrahtnetz
  • Tiegelzange
  • 3 Bechergläser
  • Bunsenbrenner
  • Eiswürfelform

Durchführung

Der Versuch gliedert sich in 3 Abschnitte. Als Vorbereitung füllt man konzentrierte Essigsäure (Eisessig) vorsichtig in einen Eiswürfelbehälter, um 3-4 Eisessigwürfel herzustellen.

Die Würfel sind nach ca. 2 Stunden fertig, da reine Essigsäure schon bei 16.5°C fest wird. Normale Eiswürfel sollten ebenfalls unbedingt vorhanden sein.

Im Abzug wird kurz vor Versuchsbeginn ein Becherglas zur Hälfte mit Eisessig gefüllt, ein weiteres zur Hälfte mit Wasser. Ein drittes Becherglas wird dann mit einem großen Stück festem Wachs gefüllt und dieses über der Brennerflamme verflüssigt.

Ist das Wachs flüssig, kann mit einer Tiegelzange das Wachs eines Teelichtes hinzu gegeben werden. In das Becherglas mit dem Eisessig gibt man mit der Zange 2-3 Eisessigwürfel und danach 2-3 Eiswürfel in das Wasserglas.

Entsorgung

Der Eisessig wird neutralisiert und in den Ausguss gegeben.

Ergebnisse

Das feste Wachs geht im flüssigen Wachs unter, der Eisessigwürfel geht im Eisessig unter, nur in Wasser schwimmt der Eiswürfel.

Stoffe liegen (im Allgemeinen) in drei Aggragatszuständen vor. Sie können fest, flüssig oder gasförmig sein. Von Zustand zu Zustand sind die Stoffe in der Regel weniger dicht gepackt. Wasserdampf nimmt z.B. viel mehr Raum ein, als flüssiges Wasser. So sind die meisten Feststoffe schwerer (genauer: dichter) als ihre entsprechenden Flüssigkeiten und gehen in ihnen unter.

Eine Ausnahme ist das Wasser. Wasser ist bei 3.98°C am dichtesten gepackt. Unter oder über 3.98°C dehnt es sich wieder aus. Zum Einen auf Grund der Wärme, zum Anderen weil es in der Kälte Kristalle bildet, die sich in einer bestimmten Weise anordnen.

Sechs Wassermoleküle bilden so einen Ring, der an allen Seiten wieder Teil eines weiteren Ringes ist. In der Mitte eines jeden Ringes aber bildet sich ein vergleichsweise großer, leerer Hohlraum. Das Gebilde lässt sich mit einer Bienenwabe vergleichen und hat durch diese Struktur nun eine geringere Dichte als das flüssige Wasser, bei dem die Wassermoleküle relativ dicht aneinander liegen.

Eis kann in Wasser schwimmen. Ohne diese Eigenschaft würden Flüsse und Seen im Winter bis auf den Boden durchfrieren, das das Eis stets auf den Grund sinken undan der Oberfläche neues Eis entstehen würde. Das Eis schirmt das Wasser vor weiterem Wärmeverlust ab und Tiere und Pflanzen können in Seen überwintern.

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Hinweise

Eisessig riecht unangenehm stechend und kann die Atemwege reizen. Der Versuch muss in einem Abzug durchgeführt werden.

Versuchsvideo

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Versuchsbild

Bild zu Versuch: Dichteanomalie von Wasser

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NEU

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