Wieso ist Gefrorenes hart?

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7 Antworten

Es gibt zwei Kräfte, die gegeneinander Arbeiten.

Durch die Eigenbewegung versuchen die Wassermoleküle sich aus dem Verbund zu lösen, aber durch die molekularen Bindungskräfte untereinander versuchen sie, sich eng aneinander anzuordnen. 

Von der Temperatur hängt es nun ab, welche Kräfte stärker sind.

Über 100°C sind die Kräfte durch die Eigenbewegung so hoch, dass jedes Wassermolekül einzeln in der Gegend rumfliegt. Die Bindungskräfte unter den Molekülen wirken nicht mehr. Es leigt Gas, also bei Wasser Dampf, vor.

Im flüssigen Zustand machen sich die Bindungskräfte teilweise bemerkbar, indem sich die Wassermoleküle zu sogenannten Clustern, also Molekülverbänden mit einer Anzahl von 2 bis etwa 30 Molekülen, zusammenschließen. Diese Cluster sind aber noch gegenseitig verschieblich, sodass das Wasser flüssig ist. Hier wirken also Bindungskräfte und Bewegungskräfte gleichzeitig.

Bei Temperaturen unter 0°C spielen die Kräfte durch die Eigenbewegung keine Rolle mehr, jetzt wirken nur noch die Bindungskräfte zwischen den Molekülen. Die ordnen sich in einem Kristallgitter an (Eiskristalle) und jedes einzelne Molekül ist mit seinen Nachbarn fest verbunden. Die Moleküle können dadurch nur noch mit Kraftaufwand gegeneinander verschoben werden, das Wasser ist fest.

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Bewegung von Teilchen durch Wärmeenergie stellt man im Modell manchmal durch (mehr oder wenige) kräftiges Schütteln dar.

Mir würde für einen groben Eindruck folgendes einfallen:

Ein Gefäß - am besten aus durchsichtigem Plastik - teilweise mit Styroporkügelchen, Plastikperlen oder ähnlich leichten Kügelchen gefüllt. (Problem: neigen dazu, an den Gefäßwänden zu "kleben" wegen ihrer elektrostatischen Aufladung. Vielleicht gibt es auch antistatische Kügelchen und/oder Schüsseln?)

Ein Holzklotz oder ein anderer Klotz, der schwerer ist als die Perlen, wird nicht einsinken, wenn man das Gefäß nicht schüttelt. Das entspricht dem festen Zustand am absoluten Nullpunkt.

Wenn man das Gefäß ganz leicht schüttelt, sodass die Perlen im wesentlichen an ihrem Platz bleiben, passiert auch noch nichts. Das entspricht dem festen Zustand bei niedriger Temperatur.

Wenn man das Gefäß fester schüttelt, sinkt der Holzklotz nach unten. Das entspricht dem flüssigen Zustand bei einer Temperatur über dem Gefrierpunkt.

Wenn man einen Deckel auf das Gefäß tut und es so fest schüttelt, dass die Kügelchen ohne Deckel herausfliegen würden (aber der Holzklotz noch nicht bei jedem Schütteln getroffen wird), kann der Holzklotz fast frei durch die Perlen hindurch fallen. Das entspricht dem gasförmigen Zustand bei noch höherer Temperatur.

Es ist vermutlich nicht ganz einfach, leichte, aber an vielen Stellen der Oberfläche magnetische Kugeln zu bekommen. Dadurch wird es schwieriger, den Zusammenhalt der Kügelchen zu simulieren. Auch ein Brechen ist schwerer darstellbar - magnetische Kügelchen würden sich an der Oberfläche ein wenig umlagern, sodass die Bruchflächen nicht mehr perfekt zusammenpassen und man den Bruch nicht durch einfaches Wiederzusammenlegen heilen kann.

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Genaugenommen hat es nichts mit chemie sondern mit physik zu tun.

Wärme bedeutet immer auch bewegung energie. Wenn etwas warm wird, dann bewegt es sich. wenn etwas kälter wird, dann wird die bewegung langsamer. Genau das findet auf molekularer ebene statt. Die einzellnen Moleküle bewegen sich immer langsamer, stoßen kaum noch zusammen.
irgentwann, sind sie so langsam, das sie nicht mehr wild durch die gegend fleigen können, sondern mehr oder weniger auf ihere stelle bleiben.

Stell dir eine Gruppe menschen vor. Wenn die im urlaub in italien sind, dann bewegen sie sich, renne wild durch die gegend => flüssige wasser, die moleküle bewegen sich wild hin und her.

Wenn die gleiche gruppe menschen jetzt am nordpol steht, dann werden sie dicht gedrängt in einer gruppe stehen, nahezu regungslos. sie werden vll ein wenibg zittern, oder sich die hände reiben, aber an sich bilden sie einen erstarrten block => festes Wasser

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Das ist nicht chemisch sonder physikalisch.

Bei Entzug der Energie fangen die Moleküle an sich in Rastern auszurichten und die Abstände zueinander zu verringern. Dadurch ist die Bewegungsfähigkeit eingeschränkt.

Ich habe es meinen Kinden mit einem Bällebad versucht zu erklären. Die Moleküle (Bälle) können sich frei bewegen = flüssig. Wenn es Kalt wird werden die zu einem Raster, so als ob sie zusammengeklebt werden und dann sind sie fest.

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Kommentar von ThomasJNewton
22.01.2016, 16:10

Fast richtig!

Sich im Raster ausrichten kann im Einzelfall auch bedeuten, dass die Teilchen einen größeren Anstand haben, als wenn sie wie die aufgescheuchten Hühner wild rumflattern.

Das ist z.B. beim Wasser der Fall, deswegen dehnt es sich beim Gefrieren aus.
Diese sogenannte Anomalie ist zwar nicht der Regelfall, aber auch nicht ein Supersondereinzelfall. Es gibt etliche andere Stoffe, die sich ebenfalls beim Erstarren ausdehnen.

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Du weisst ja, alles besteht aus winzig kleinen Bauteilen. Man nennt sie Atome. Diese Atome sind immer in Bewegung. Je wärmer etwas ist, desto mehr bewegen sich die Atome. Man sieht es nicht und spührt nur die wärme. Also 1. merke: Bewegung gleich wärme.

Also je weniger die atome in Bewegung (=kälter) sind, desto weniger Platz brauchen sie für die Bewegung. Je näher sie also zusammenrücken, desto härter wird der Stoff.

Die meisten "stoffe" werden kleiner, wenn sie gefrohren sind. Wasser und einige andere Stoffe machen da jedoch eine Ausnahme. Wieso das so ist, weiss ich jedoch nicht.

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Kommentar von ThomasJNewton
22.01.2016, 16:24

Im Gegensatz zu den gängigen Darstellungen als Winkel ist das Wassermolekül ziemlich kugelförmig. Denn selten werden die 2 freien Elektronenpaare mitgezeichnet.
Jedenfalls bilden 4 Elektronenpaare, ob mit Proton darin oder ohne, und auch in Tetraederanordnung, ein recht rundes Gebilde.

Und um eine Kugel passen eben 12 Kugeln. Das mag Stoff für Fortgeschritte sein, in den 2 dichtesten Kugelpackungen, wie sie bei vielen Metallen auftreten.
Aber auch im Kochsalz bilden die (größeren) Chloridionen eine dichteste Kugelpackung, die Natriumionen passen dazwischen.

Egal, im Wasser, wo keine festen Bindungen zwischen den Wassermolekülen bestehen, ist jedes Wassermolkül von 12 anderen umgeben.
Im Eis bildet aber jedes Molekül genau 4 Bindungen zu anderen aus, über Waserstoffbrücken. Und mit 4 direkten Nachbarn statt 12 ist das Gitter nun mal lockerer, also weniger dicht.
Deswegen schwimmt Eis oben, und dehnt sich Wasser beim Gefrieren aus.

Wie übrigens etliche andere Stoff, die Anomalie des Wasser ist nicht einzigartig.

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Vielleicht solltest du dich dafür etwas mit den Aggregatzuständen befassen.

Einfach mal Googlen. Im Wiki kommst du dann schon auf deine Lösung.

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Google mal: aggregatzustand

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