Dichteanomalie

Als Dichteanomalie wird der Effekt bezeichnet, dass die Dichte einiger Stoffe nicht – wie bei den meisten – mit abnehmender Temperatur über alle Aggregatzustände hinweg zunimmt, sondern sich unterhalb einer bestimmten Temperatur wieder verringert, der Stoff sich also wieder ausdehnt.

Dichteanomalien treten bei den chemischen Elementen Antimon, Bismut, Gallium, Germanium, Plutonium und Silicium sowie unter anderem bei Verbindungen wie Zirkoniumwolframat und Zinkcyanid auf. Der wichtigste Stoff, der diese Anomalie aufweist, ist Wasser.

Wasser

Unter Normaldruck hat Wasser seine größte Dichte von ca. 1000 Kilogramm pro Kubikmeter bei 3,98 °C. Unterhalb von 3,98 °C dehnt sich Wasser bei weiterer Temperaturverringerung – auch beim Wechsel zum festen Aggregatzustand – wieder aus. Die derzeit genauesten publizierten Werte für die maximale Dichte liegen bei (999,974950 ± 0,00084) kg/m³ bei einer Temperatur von (3,983 ± 0,00067) °C. Die Werte stellen einen Mittelwert der von verschiedenen physikalischen Instituten veröffentlichten Zahlen dar (Stand 2005).

Die Berechnung der Dichte von luftfreiem Wasser D_LF in Abhängigkeit von der Temperatur T ([T] = °C) kann mit Hilfe der folgenden Virialgleichung erfolgen:

$\frac{D_{\rm LF}}{\rm g/l} = \frac{a_0 + a_1 T + a_2 T^2 + a_3 T^3 + a_4 T^4 + a_5 T^5}{1 + b T}$.

mit den Koeffizienten: a₀ = 999,83952; a₁ = 16,952577 (°C)^-1; a₂ = -7,9905127·10^-3 (°C)^-2; a₃ = -4,6241757·10^-5 (°C)^-3; a₄ = 1,0584601·10^-7 (°C)^-4; a₅ = -2,8103006·10^-10 (°C)^-5 und b = 0,0168872. Für die Berechnung der Dichte von luftgesättigtem Wasser korrigiert man den Wert nach D_LG/(g/l) = D_LF/(g/l) - 0,004612 + 0,000106 (°C)^-1·T. (Quelle: PTB-Mitteilungen 100/3-90)

Dichte des Wassers in Abhängigkeit von der Temperatur

Im festen Aggregatzustand – in diesem Fall bei Eis – wird normalerweise eine hohe Fernordnung durch Ausbildung eines Kristallgitters im Zuge der Kristallisation erreicht. Im flüssigen Zustand herrscht eine Mischung von Ordnung und Chaos, wobei die Moleküle aufgrund ihrer höheren Geschwindigkeit ein größeres Volumen ausfüllen. Es erhöht sich also das Volumen, die Dichte wird damit geringer. Im gasförmigen Zustand ist die maximale Unordnung erreicht, d. h. die Atome verteilen sich dementsprechend gleichmäßig über den maximal zur Verfügung stehenden Raum.

Der Grund der Anomalie des Wassers liegt in der Verkettung der Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen. Durch sie benötigt die Struktur im festen Zustand mehr Raum als bei beweglichen Molekülen. Die Strukturbildung ist ein fortschreitender Vorgang, das heißt, es sind schon im flüssigen Zustand so genannte Cluster aus Wassermolekülen vorhanden. Bei 3,98 °C ist der Zustand erreicht, bei dem die einzelnen Cluster das geringste Volumen einnehmen und damit die größte Dichte haben. Wenn die Temperatur weiter sinkt, wird durch einen stetigen Wandel der Kristallstrukturen mehr Volumen benötigt. Wenn die Temperatur steigt, benötigen die Moleküle wieder mehr Bewegungsfreiraum, wodurch das Volumen ebenfalls steigt.

Die Dichteanomalie des Wassers ist wichtig für das Leben in Gewässern kälterer Klimazonen. Unterhalb einer Temperatur von etwa 4 °C sinkt Oberflächenwasser nicht nach unten. Dies verhindert die weitere Auskühlung tieferer Gewässerschichten (vgl. Thermische Schichten). Dadurch wird ein vollständiges Durchfrieren von unten her verhindert. Wassertiere und -pflanzen können unter der Eisschicht überleben.