Eis und Wasserdichte

Warum schwimmt Eis eher auf dem Wasser als zu sinken, wie die meisten Feststoffe? Die Antwort auf diese Frage besteht aus zwei Teilen. Schauen wir uns zunächst an, warum etwas schwimmt. Lassen Sie uns dann untersuchen, warum Eis auf flüssigem Wasser schwimmt, anstatt auf den Grund zu sinken.

Warum Eis schwimmt

Eine Substanz schwimmt, wenn sie weniger dicht ist oder eine geringere Masse pro Volumeneinheit aufweist als andere Komponenten in einem Gemisch. Wenn Sie zum Beispiel eine Handvoll Steine ​​in einen Wassereimer werfen, sinken die Steine, die im Vergleich zum Wasser dicht sind. Das Wasser, das weniger dicht als die Felsen ist, wird schwimmen. Grundsätzlich schieben die Steine ​​das Wasser aus dem Weg oder verdrängen es. Damit ein Objekt schweben kann, muss es ein Flüssigkeitsgewicht verdrängen, das seinem eigenen Gewicht entspricht.

Wasser erreicht seine maximale Dichte bei 4 ° C. Wenn es weiter abkühlt und zu Eis gefriert, wird es tatsächlich weniger dicht. Andererseits sind die meisten Substanzen in ihrem festen (gefrorenen) Zustand am dichtesten als in ihrem flüssigen Zustand. Wasser ist wegen der Wasserstoffbindung anders.

Ein Wassermolekül besteht aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen, die durch kovalente Bindungen fest miteinander verbunden sind. Wassermoleküle werden auch durch schwächere chemische Bindungen (Wasserstoffbindungen) zwischen den positiv geladenen Wasserstoffatomen und den negativ geladenen Sauerstoffatomen benachbarter Wassermoleküle voneinander angezogen. Wenn das Wasser unter 4 ° C abkühlt, stellen sich die Wasserstoffbrückenbindungen ein, um die negativ geladenen Sauerstoffatome auseinander zu halten. Dies erzeugt ein Kristallgitter, das allgemein als Eis bekannt ist.

Eis schwimmt, weil es etwa 9% weniger dicht ist als flüssiges Wasser. Mit anderen Worten, Eis nimmt etwa 9% mehr Platz ein als Wasser, sodass ein Liter Eis weniger wiegt als ein Liter Wasser. Das schwerere Wasser verdrängt das leichtere Eis, sodass das Eis nach oben schwimmt. Eine Folge davon ist, dass Seen und Flüsse von oben nach unten gefrieren und Fische überleben können, selbst wenn die Oberfläche eines Sees zugefroren ist. Wenn das Eis sinkt, wird das Wasser nach oben verdrängt und der kälteren Temperatur ausgesetzt, was Flüsse und Seen dazu zwingt, sich mit Eis zu füllen und Feststoffe einzufrieren.

Schweres Wassereis sinkt

Es schwimmt jedoch nicht alles Wassereis auf normalem Wasser. Mit schwerem Wasser hergestelltes Eis, das das Wasserstoffisotop Deuterium enthält, sinkt in normalem Wasser. Wasserstoffbrückenbindungen treten immer noch auf, aber es reicht nicht aus, um den Massenunterschied zwischen normalem und schwerem Wasser auszugleichen. Schweres Wassereis sinkt in schweres Wasser.