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#schongewusst: Warum Wasser vom Rand zur Mitte gefriert

Im „#schongewusst“-Artikel zum Exponat Eiskristalle ist bereits erklärt worden, wie einzelne Eiskristalle entstehen. Was aber genauso gut bei dem Exponat zu sehen ist, ist die voranschreitende Ausbreitung von Eis bzw. das voranschreitende Gefrieren des Wassers! Dabei handelt es sich um keine schlagartige Veränderung des Wassers zu Eis, sondern um ein kleines Eiskristall, das am Rand der Kühlplatte entsteht und sich immer weiter auszubreiten scheint.

Aber wieso ist das so? Der ganz wichtige Hinweis ist hier, dass das Wasser beim Gefrieren (Eis-)Kristalle bildet. Denn solange Wasser flüssig ist, kann man davon ausgehen, dass sich die Wasserteilchen alle mehr oder weniger schnell bewegen. Wird Wasser zu kalt, so bewegen sich die Teilchen immer langsamer. Irgendwann kommt es dazu, dass die Teilchen sich so langsam bewegen, dass aus mehreren Teilchen ein festes Kristall entsteht, in welchem sich die Teilchen nicht genügend bewegen, um diese feste Struktur zu lösen.

Der Grund, warum an unserem Exponat das Eis von außen nach innen wächst, ist wie folgt zu erklären: Das Wasser, welches neu zugegeben wird, ist flüssig und somit wärmer als 0 °C und muss noch gekühlt werden. Das Wasser, welches über den Tisch verteilt ist, kommt im Zentrum nur mit benachbartem Wasser und Umgebungsluft in Berührung sowie mit der Kühlplatte von unten.

Mehr Beiträge aus der Reihe #schongewusst gibt es hier!

Das Wasser am Rand allerdings kommt noch jeweils an einer Seite mit der „Bande“ in Berührung. Diese feste Bande wird auch von der direkt daneben liegenden Kühlplatte gekühlt. Vielleicht nicht auf Minusgrade, aber sie kühlt deswegen das anliegende Wasser definitiv schneller ab, als es die Umgebungsluft tun würde. Dann kann sich am Rand, wo es am kältesten ist, am besten ein Kristall bilden. An diesem neu gebildeten Kristall ist es jetzt für die sich sehr langsam bewegenden Wasserteilchen leichter, sich anzuheften und somit das Kristall zu vergrößern. Diese Ansetzung setzt sich stetig fort und genau das beobachten wir, wenn sich das Eis über den Tisch hinweg bildet.

Ein sehr anschauliches Experiment, welches gut für zu Hause geeignet ist, ist das „sofortige“ Erstarren von Wasser in einer vorher gekühlten Wasserflasche. In diesem Video sind dazu fünf Variationen des Prinzips gezeigt:

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Es ist nicht ganz dasselbe wie normal gefrorenes Eis. Hier haben wir Wasser, das durch die plötzlichen äußeren Einflüsse wie zum Beispiel den Stoß bewegt wird und sich dann folglich so ausrichtet, dass es erstmal gut liegt, in diesem Fall in einer Art Kristall. Da das Wasser aber noch zu warm ist um tatsächlich zu gefrieren, bewegen sich mehr oder weniger viele Teilchen und brechen somit das Gitter, was zu dieser halbgefrorenen, „Slush-aritgen“ Konsistenz führt.