Wie gefriert Wasser?

Wenn Wasser gefriert, geht es normalerweise vom flüssigen in den festen Zustand über. Als Flüssigkeit sind Wassermoleküle in ständiger Bewegung, stoßen und drängeln sich gegenseitig und bleiben nie lange an einem Ort. Wenn Wasser gefriert, verlangsamen sich die Moleküle und setzen sich fest, wobei sie sich in regelmäßigen Formationen aufstellen, die Sie als Kristalle sehen. Bei reinem Wasser muss die Temperatur dazu auf 32 Grad Fahrenheit (Null Grad Celsius) sinken. Bei jeder Substanz hängt die Temperatur, bei der das Gefrieren auftritt, von Kräften ab, die ihre Moleküle zusammenkleben lassen.

Alle Moleküle und Atome haben Kräfte, die sich gegenseitig anziehen. Einige Atome, wie zum Beispiel Kohlenstoff, halten sich sehr stark aneinander; andere, wie Helium, haben eine sehr geringe Anziehungskraft. Substanzen mit starken Anziehungskräften gefrieren bei Tausenden von Grad Fahrenheit, während Substanzen mit schwachen Kräften, wie Stickstoff, bei sehr kalten Temperaturen gefrieren. Die Anziehung zwischen Wassermolekülen ist mäßig – weder schwach noch stark – also gefriert Wasser bei bescheidenen 32 Grad Fahrenheit.

Fügt man dem Wasser andere Stoffe wie Zucker oder Salz hinzu, sinkt die Temperatur unter 32 Grad, bevor sich Eis bildet. Der neue Gefrierpunkt hängt von der zugesetzten Substanz und der Mischung mit Wasser ab. Aus diesem Grund streuen Städte in einigen Bundesstaaten Salz auf die Straßen, um im Winter Eis und Schnee zu entfernen. Als weiteres Beispiel bleibt Wodka, eine Mischung aus Wasser und Alkohol, im Gefrierschrank über einen längeren Zeitraum flüssig. Der Alkohol im Wodka senkt den Gefrierpunkt deutlich.

Die meisten Substanzen ziehen sich zusammen oder schrumpfen im Volumen, wenn sie kalt werden. Wasser zieht sich nur zusammen, bis es auf 39 Grad abgesenkt wird; bei kälteren Temperaturen beginnt es sich auszudehnen. Wenn das Wasser kälter wird, verlangsamen sich seine Moleküle und ordnen sich so an, dass Lücken zwischen Molekülgruppen bestehen. Wenn es kälter wird, bilden die Moleküle sechseckige Muster, die schließlich zu Schneeflocken und verwandten Kristallen werden.

Füllt man eine komplett mit Wasser gefüllte Flasche und verschließt sie dann mit einem Deckel, bevor man sie in den Gefrierschrank stellt, dehnt sich das Wasser bei Kälte aus. Irgendwann wird das Eis die Flasche platzen lassen. Dies gilt sogar für Behälter aus starken Materialien wie Eisen; Der Druck, der von gefrierendem Wasser ausgeübt wird, beträgt bis zu 40.000 psi bei minus 7,6 Grad Fahrenheit (minus 22 Grad Celsius).