Wasser kann bei tieferen Temperaturen flüssig sein als bisher angenommen: Bei minus 157 Grad Celsius haben Forscher im Experiment den Übergang von amorphem Eis zu zähflüssigem Wasser beobachtet. Diese überraschende Erkenntnis liefert nicht nur Neues über die unnormalste Flüssigkeit der Welt. Sie wirft auch ein neues Licht auf Wasservorkommen im Weltall und die Frage, wie dort organische Verbindungen oder gar Leben entstehen könnten, wie die Forscher im Fachmagazin „Proceedings of the National Academy of Sciences“ berichten. Show
Wasser ist nicht nur essenziell für das Leben auf der Erde, es ist auch eine der anormalsten Flüssigkeiten. Diese Anomalien werden besonders im sogenannten unterkühlten Zustand sichtbar – dann, wenn Wasser trotz Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt noch nicht auskristallisiert, sondern flüssig bleibt. Dies geschieht unter anderem dann, wenn Kristallisationskeime fehlen, die die ungeordneten Wassermoleküle in eine regelmäßige Struktur bringen. Im Weltall kommt Wasser in einem weiteren ungewöhnlichen Zustand vor, dem amorphen Eis. Im Gegensatz zu kristallinem Eis sind die Wassermoleküle in amorphem Eis unregelmäßig angeordnet. Dieses Eis ist damit flüssigem Wasser sehr ähnlich – quasi die erstarrte Form von fließendem Wasser. Damit ähnelt auch Glas, das auch aus einer erstarrten Schmelze besteht. Im Weltall kommt Eis fast ausschließlich in der amorphen Form vor, während es auf der Erde immer als kristallines Eis vorliegt. Flüssig bei -157 Grad CelsiusDie Eigenschaften dieses amorphen Eises haben Forscher um Thomas Lörting vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck nun näher untersucht – und dabei Überraschendes entdeckt: Erwärmten sie es langsam, ging es überraschend früh in einen Zustand der Zähflüssigkeit über. „Wir entspannen das amorphe Eis, damit es in den Gleichgewichtszustand kommt“, erklärt Lörting. „Dann erwärmen wir es sehr langsam im Vakuum oder bei Umgebungsdruck und überprüfen, bei welcher Temperatur es sich verflüssigt.“ Flüssig definieren die Wissenschaftler einen Zustand, in dem der Stoff nach einer Störung innerhalb von höchstens 100 Sekunden in seinen Gleichgewichtszustand zurückkehrt, also „relaxiert“. Die Chemiker kamen zu dem überraschenden Ergebnis, dass das hochdichte, amorphe Eis bereits bei rund -157 Grad Celsius vom erstarrten in den flüssigen Zustand übergeht. „Es handelt sich dabei um eine hochviskose Flüssigkeit, die zäher als Honig ist“, beschreibt Lörting das tief unterkühlte Wasser. Anzeige Wasser kann demnach unter Umgebungsdruck oder Vakuum oberhalb von -157 Grad Celsius in flüssiger Form auftreten. Es handelt sich bereits um den zweiten, sogenannten Glasübergang, der an der Universität Innsbruck für Wasser gefunden wurde. Schon vor 30 Jahren hatte der inzwischen verstorbene Chemiker Erwin Mayer den Glasübergang von niederdichtem, amorphem Eis bei -137 Grad Celsius gefunden. Neues Licht auf Wasser im AllDiese neue Entdeckung könnte für unser Verständnis der Evolution von Molekülen und womöglich auch die Frage nach der Entstehung von Leben im Weltall von Bedeutung sein. Denn flüssiges Wasser gilt gemeinhin als das Lösungsmittel für chemische Reaktionen schlechthin, als Geburtsstätte der Moleküle des Lebens. Wenn Wasser bei sehr viel tieferen Temperaturen als bisher angenommen flüssig auftritt, wirft das ein neues Licht auf diesen Prozess. Auch kann die aktuelle Arbeit neue Ansatzpunkte für die Erklärung der vielen anormalen Eigenschaften des Wassers liefern. Das Team um Roland Böhmer und Thomas Lörting will nun das zähflüssige Wasser genauer untersuchen und dessen Eigenschaften näher charakterisieren. „Wir wollen wissen, wie sich andere Stoffe in diesem Wasser lösen lassen und wie die um ein Viertel höhere Dichte des Wassers die Reaktionsfähigkeit verändert“, sagt der Chemiker. „Hier öffnet sich uns ein neues Forschungsfeld, das Arbeit für weitere 30 Jahre liefert“, ist Lörting überzeugt.(Proceedings of the National Academy of Sciences, 2013; doi: 10.1073/pnas.1311718110) steigere dein Selbstvertrauen im Unterricht, indem du vor Tests und Klassenarbeiten mit unseren unterhaltsamen interaktiven Übungen lernst. lerne unterwegs mit den Arbeitsblättern zum Ausdrucken – zusammen mit den dazugehörigen Videos ermöglichen diese Arbeitsblätter eine komplette Lerneinheit. 24h-Hilfe von Lehrer*innen, die immer helfen, wenn du es brauchst.  89 % der Schüler*innen verbessern ihre Noten mit sofatutor Mit schnellen Schritten zur kostenlosen Testphase!30 Tage kostenlos testen Testphase jederzeit online beenden Sie sind Lehrkraft? Hier entlang! Dann nutze doch Erklärvideos & übe mit Lernspielen für die Schule. Kostenlos testenBewertung Ø 4.6 / 19 Bewertungen Du musst eingeloggt sein, um bewerten zu können. Wow, Danke! Die Autor*innen Home Academy Warum gefriert Meerwasser nicht bei 0 Grad Celsius? lernst du in der 7. Klasse - 8. Klasse Grundlagen zum Thema Warum gefriert Meerwasser nicht bei 0 Grad Celsius?Inhalt
Warum gefriert Meerwasser nicht bei 0 Grad Celsius? – ChemieHast du dich schon einmal gefragt, warum im Winter mit Salz gestreut wird? Wasser hat einen Gefrierpunkt von $\pu{0 °C}$. Daher beginnen Seen und Flüsse, ab dieser Temperatur zuzufrieren. Meerwasser dagegen gefriert bei diesen Temperaturen noch nicht. Aber warum ist das so? Welchen Unterschied gibt es zwischen Meerwasser und Süßwasser? Ganz einfach: Meerwasser hat einen deutlich höheren Salzgehalt als unser Leitungswasser oder das Wasser in Seen und Flüssen. Dieser führt dazu, dass der Gefrierpunkt des Wassers durch die Zugabe von Salz gesenkt wird – Wasser gefriert dann bei einer niedrigeren Temperatur. Wann gefriert Salzwasser? – Erklärung und DefinitionWasser gefriert bei einer Temperatur von $\pu{0 °C}$ und Eis schmilzt bei eben dieser Temperatur. Wasser und Eis liegen dabei in einem Gleichgewicht vor. Es lösen sich genauso viele Wassermoleküle aus dem Eis, wie sich andere Wassermoleküle an das Eis binden. Das Gleichgewicht zwischen dem festen (links) und dem flüssigen (rechts) Zustand von Wasser kannst du im folgenden Bild sehen: Warum hat Salzwasser einen niedrigeren Gefrierpunkt?Wenn man Salz – in unserem Fall also Natriumchlorid ($\ce{NaCl}$) – dem Wasser zugibt, liegt es in gelöster Form vor. Es findet eine Ionenbildung statt: Es entstehen positiv geladene Natrium- und negativ geladene Chloridionen. Das positiv geladene Natriumion zieht das partiell negativ geladene Sauerstoffmolekül des Wassermoleküls an. Das Chloridion ist negativ geladen, sodass die partiell positiven Wasserstoffe des Wassermoleküls in Richtung des Chloridions zeigen. Man spricht dabei von der Hydratation von Ionen. Durch diesen Vorgang wird die Eiskristallbildung gestört und damit wird der Gefrierpunkt erniedrigt – man nennt dies auch Gefrierpunktserniedrigung. Wenn eine Salzlösung nun gesättigt ist, kann das Wasser kein weiteres Salz mehr aufnehmen. Dieses gesättigte Salzwasser gefriert bei $\pu{-21 °C}$. Dies ist die maximal mögliche Gefrierpunktserniedrigung. In Meerwasser sind etwa $\pu{35 g//{\ell}}$ $\ce{NaCl}$ enthalten. Bei einer solchen Konzentration gefriert das Meerwasser bei $\pu{-2 °C}$. Übrigens spielen bei der Gefrierpunktserniedrigung natürlich auch andere Salze wie z. B. Sulfate eine Rolle und auch ihr Gehalt in der Lösung beeinflusst das Gleichgewicht zwischen flüssigem und festem Zustand. GewässerSalzkonzentration in $\pu{ g//{\ell}}$Gefrierpunkt in $\pu{°C}$Süßwasser0 bis 10,0Brackwasser1 bis 100 bis −0,6Meerwasser35−2Totes Meer280ca. −21gesättigte Kochsalzlösung356−21 Im folgenden Diagramm kannst du selbst den Gefrierpunkt von Salzwasser in Abhängigkeit der Konzentration abschätzen: Warum wird im Winter Salz gestreut?Bei einer Temperatur unter $\pu{0 °C}$ beginnt Wasser zu gefrieren. Es entsteht ein festes Kristallgitter. An der Eisoberfläche sind die Wassermoleküle jedoch nur lose miteinander verbunden – sie bilden einen dünnen Wasserfilm. Gibt man nun Salz, also Natriumchlorid, auf diesen Wasserfilm, wird die Gitterstruktur des Natriumchlorids aufgelöst. Die positiv geladenen Natriumionen und die negativ geladenen Chloridionen werden von den Wassermolekülen umgeben, sodass sich diese weniger an das Eis binden können. Dieser Vorgang bewirkt, dass durch die Natrium- und Chloridionen kontinuierlich Wassermoleküle aus dem Eiskristall herausgelöst werden. Die Kristallbildung wird gestört, das Eis taut und es entsteht eine Salzlösung. Die Zugabe von Salz zu Wasser verhindert zudem, wie wir im vorherigen Abschnitt gesehen haben, dass Wassermoleküle bei unter 0 Grad Eiskristalle aufbauen, denn die Salzlösung gefriert erst bei geringeren Temperaturen – der Gefrierpunkt des Wassers sinkt. Die Tatsache, dass sich das Eis bei Zugabe von Salz auflöst, macht man sich im Winter zunutze. Durch Salzstreuen werden die Straßen wieder eisfrei. Dieses VideoIn diesem Video lernst du, warum Meerwasser nicht bei null Grad gefriert. Außerdem weißt du nun auch, warum man im Winter Salz streut, um das Eis auf den gefrorenen Straßen zu beseitigen. Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß! Transkript Warum gefriert Meerwasser nicht bei 0 Grad Celsius?Wir nutzen es meist ohne nachzudenken: Das Wasser. Dabei ist es nicht nur nass, sondern hat auch noch andere Eigenschaften, beispielsweise gefriert es bei null Grad Celsius. Der Chemiker Andreas Celler vom University College in London zeigt uns in einem Experiment, warum Salzwasser sich ganz anders verhält. Celler nimmt dafür eine Schüssel voll mit Eiswürfeln. Das Thermometer zeigt null Grad an. Das ist gleichzeitig der Gefrierpunkt von Wasser und der Schmelzpunkt für Eis. Bei null Grad entsteht ein Gleichgewicht zwischen Wasser und Eis, Wassermoleküle lösen sich aus dem Eis und gleichzeitig binden sich andere Wassermoleküle an das Eis. Nun gibt Celler ein wenig Kochsalz dazu und rührt. Die Temperatur geht weiter runter. Aber, schau an, das Wasser gefriert nicht. Der Grund: Die Natrium-und Chloridionen aus dem gelösten Salz, hier in blau und rot dargestellt, bringen das Gleichgewicht aus den Fugen. Die geladenen Teilchen umgeben sich mit den Wassermolekülen. Das führt dazu, dass die Anzahl von Wassermolekülen, die vom Eis eingenommen werden können, weniger sind. Das Wasser gefriert langsamer, Wissenschaftler nennen das die Gefrierpunktserniedrigung. Und der aus Italien stammende Chemiker Andreas Celler gibt noch mehr Salz ins Eis. Aber irgendwann geht der Gefrierpunkt auf dem Thermometer nicht mehr weiter runter und zwar bei minus einundzwanzig Grad Celsius. Der Grund: Das Wasser kann kein Salz mehr aufnehmen, man spricht von einer gesättigten Lösung. Ganz so viel Salz ist in Meerwasser übrigens nicht enthalten. Meistens sind es in etwa fünfunddreißig Gramm pro Liter. Das ist aber genug, um das Meer später zufrieren zu lassen. Ungefähr bei minus zwei Grad. 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Warum gefriert Meerwasser nicht bei 0 Grad Celsius? ÜbungDu möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Warum gefriert Meerwasser nicht bei 0 Grad Celsius? kannst du es wiederholen und üben.
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Was passiert mit Wasser bei 0 Grad?
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