Wie finde ich heraus, ab welcher Temperatur Wasser (H2O) gefriert?

Wie andere bereits richtig gesagt haben: Das kann man machen, indem man Wasser abkühlt (von außen, z.B. mit einem Wasser/Eis/Salz-Bad) und die Temperatur beim Auftreten der ersten Eiskristalle mißt. Ge­wöhn­lich beobachtet man dabei, daß die Tem­pera­tur des flüssigen Wassers zunächst unter 0°C fällt, dann bilden sich die ersten Eis­kristal­le, die Tem­pera­tur steigt auf genau 0°C und bleibt dann konstant, bis alles gefroren ist.

Da die Temperatur einer Eis/Wasser-Mischung immer konstant 0°C be­trägt, kann man es auch ein­facher machen und zer­stoße­ne Eis­würfel mit Wasser mischen und dann die Tem­pera­tur messen, so spart man sich die Kühlung über ein Bad.

Einige behaupten hier, daß superreines Wasser erst Dutzende Grade unter Null gefriert. Das ist gleichzeitig wahr und falsch, aber meiner Meinung nach eher das letztere.

Jeder reine Stoff gefriert bei einer fix definierten Temperatur, die nur vom Druck abhängt. Bei Wasser und Luft­druck ist das 0°C, Punkt. Aller­dings kann das dauern, im schlimmsten Fall Millionen Jahre, denn die Kristall­bildung ist langsam. Der Grund ist, daß kleine Kristalle (sub-µm) instabil sind und sich daher schlecht bilden. An­derer­seits waren alle großen Kristalle einmal klein. So­bald auch nur ein einziger kleiner Kristall es durch Zufall geschafft hat, lang genug zu leben um groß zu werden, gefriert die ganze Lösung.

Bei einer realen Gefrierpunktmessung beobachtet man daher meist Unter­kühlung: Die Tem­pera­tur sinkt unter den Ge­frier­punkt, ohne daß sichtbare Kristalle auftreten. In dieser Phase kämpfen die Mikro­kristalle darum, groß genug zu werden, daß sie endlich die Lösung zum Gefrieren bringen können. Typi­scher­weise ein paar Grad unter dem Schmelz­punkt sind ihre Chancen am größten, dann schaffen es ein paar und wachsen sehr rasch. Dabei wird die Schmelz­wärme frei, und die Suppe erwärmt sich genau auf den Schmelz­punkt und gefriert dann langsam vor sich hin.

Das Kristallwachstum wird gefördert, wenn irgendwelche Brösel in der Suppe herum­schwim­men. Oft hilft es daher, wenn man mit einem Glas­stab an der Gefäß­wand kratzt, denn dabei bilden sich winzige Glas­frag­mente, um die herum sich die Wasser­moleküle zu Eis­kristal­len anordnen können („Kristallisationskeime“).

Extrem hochgereinigtes und ultrafiltriertes Wasser enthält keine Kristal­lisa­tions­keime, daher ist der Ge­frier­vorgang bei 0°C exxxxtrem langsam. Es möchte zwar gefrieren, kann aber nicht. Es bildet also eine „unter­kühlte Schmelze“, die zwar instabil ist aber bei vorsichtiger Hand­­habung (keine Brösel, kein Schütteln) durchaus lange bestehen kann und sich auch weiter abkühlen läßt. Das ist aber nur temporär; wenn man lange genug wartet, dann muß es bei 0°C gefrieren.

Unterkühltes Wasser kommt auch in der Natur vor, und zwar bei Winter­regen an sehr kalten Tagen. Wenn die Atmo­sphäre hin­reichend rein ist, können die Wasser­tropfen nicht ge­frieren, solange sie fallen. Wenn sie auf die Erd­ober­­fläche mit all dem Staub und Dreck treffen, ge­frie­ren sie sofort („Blitzeis“).

Wenn Du ein Kühlaggregat oder ein gute Kältemischung hast, kannst Du einfach Wasser in ein Glasgefäß geben und unter leichtem Rühren (bzw. mit einem Magnetrührer) abkühlen und dabei die Temperatur messen. Sobald sich Eiskristalle bilden und die Temperatur stabil bleibt hast Du den Gefrierpunkt.

Einfacher ist es den umgedrehten Weg zu gehen und den Schmelzpunkt zu bestimmen (Schmelzpunkt ist nichts anderes als der Gefrierpunkt vom anderen Ende- dazwischen liegt nur die Schmelzenthalpie).

Nimm einfach Dein Wasser und lass es im Eisschrank in Würfelchen tiefgefrieren . Füll das Eis in eine Thermoskanne und mess die Temperatur. Wenn die Temperatur bei dem schmelzenden Eis stabil bleibt hast Du den Schmelz-/Gefrierpunkt. (Die Wasser/Eis Mischung ab und zu umrühren, damit sich keine Temperaturschichtungen bilden, die das Ergebnis verfälschen.)

Das kannst du im einfachsten Fall rein optisch machen. Du misst die Temperatur des Wassers und notierst dir bei welcher es zu gefrieren beginnt. Das kannst du ja gut optisch feststellen. Professionell wird das bspw. mittels Kryomikroskopie oder DSC-Messungen in Emulsionen gemacht.

Du wirst jedoch feststellen, das die Temperatur stark von Kühlrate und Reinheit des Wassers abhängt. Reines Wasser gefriert erst bei -38 °C. Mit Eiskeimen verunreinigtes Wasser gefriert schon früher.

Für die Durchführung siehe Kommentar von PeterJohann. Zum Abkühlen kannst Du z.B. Alkohol oder eine konzentrierte Salz/Zuckerlösung aus dem Tiefkühler (sind kälter als 0 °C) nutzen - Das Glas mit Wasser (je mehr Wasser, desto länger wird es dauern) in diese Lösung stellen, kontinuierlich rühren und warten.

Lass ich nicht von den -38 °C verwirren, dabei geht es um supercooling, das kannst Du zu Hause nicht quantifizieren. Dazu müsstest Du Wasser ohne Kristallisationkeime ohne zu bewegen (was schlecht ist wenn Du die Temperatur messen willst) lagern. Aber falls Du bock drauf bekommen hast es mal auszuprobieren: Organisiere Dir Reinstwasser und gebe es in eine sehr saubere Flasche. Lege die Flasche in den Tiefkühler und warte --> Das Wasser wird im Tiefkühler nicht gefrieren, aber sobald Du die Flasche schüttelst bekommst Du blitzartig Eis.

Kommt drauf an reines absolut ruhiges Wasser wird erst zähflüssig und bei - 40 Grad dann langsam fest.