Phasendiagramm des Wassers

Hallo und herzlich willkommen. Mein Name ist Götz. Das Thema von heute lautet: "Das Phasendiagramm von Wasser". Dabei werden wir folgende Fragen beantworten:

1. Wie sieht das Phasendiagramm von Wasser aus?
2. Welche Besonderheit weist es auf? und 3. Welche konkreten Auswirkungen hat diese Besonderheit?

Im Vorfeld dieses Videos solltest du aber schon wissen, was ein Phasendiagramm überhaupt ist. Es ist vielleicht sinnvoll, noch einmal kurz zu wiederholen, wie ein Phasendiagramm normalerweise aussieht. Wir finden darin eine Sublimationsdruckkurve, eine Siedepunktskurve und eine Schmelzdruckkurve. Diese 3 Kurven teilen das Diagramm in einen gasförmigen, einen flüssigen und einen festen Bereich auf. Des Weiteren finden wir in dem Diagramm die charakteristischen Punkte: den Tripelpunkt und den kritischen Punkt. Nun zum Vergleich das Phasendiagramm des Wassers: Auch hier finden sich diese 3 charakteristischen Kurven, die das Diagramm in 3 Bereiche aufteilen: nämlich den festen, den gasförmigen und den flüssigen, da es sich um Wasser handelt - also um den Bereich, wo Eis vorliegt, wo Wasserdampf vorliegt oder wo flüssiges Wasser vorliegt. Was ist so besonders an diesem Phasendiagramm des Wassers bzw. was unterscheidet es von dem anderen Phasendiagramm, das wir links hingezeichnet haben? Nun ja, es ist die Tatsache, dass die Schmelzdruckkurve - also die lila Kurve - beim Wasser vom Tripelpunkt ausgehend nach oben links verläuft und nicht wie im normalen Phasendiagramm nach oben rechts. Die allermeisten Stoffe verhalten sich so, wie im linken Phasendiagramm dargestellt wird, weshalb man dies als ein normales Phasendiagramm bezeichnen könnte, während das Wasser eine sogenannte Anomalie aufweist. Warum ist das wichtig? Man kann es sich anhand eines Punktes veranschaulichen, der bei einer bestimmten Temperatur T1 und P1 vorliegt, die so gewählt sind, dass der Punkt im eisförmigen Bereich liegt. Hält man nun die Temperatur konstant, geht aber auf einen höheren Druck zu, den wir hier als P2 bezeichnen, dann wird man sehen, dass man plötzlich sich im flüssigen Bereich befindet, das heißt, beim flüssigen Wasser. Mit anderen Worten: Unser Eis ist einfach nur durch Druckerhöhung geschmolzen. Würde man dieselbe Prozedur bei einem anderen Stoff durchführen, dann würde man sehen, dass man durch Druckerhöhung den festen Bereich nicht verlassen kann. Diese Besonderheit oder Anomalie des Wassers möchte ich hier noch einmal kurz zusammenfassen: Zunächst einmal, wie gesagt, die Schmelzdruckkurve verläuft nach oben links im Phasendiagramm. Das ist sozusagen das, was wir im Diagramm sehen. Das wiederum bedeutet, dass Eis sich unter Druck verflüssigt. Die Ursache für dieses Verhalten liegt darin begründet, dass die Moleküle in flüssigem Wasser platzsparender angeordnet sind als in festem Eis. Dies wiederum hängt mit den besonderen Moleküleigenschaften des Wassers zusammen, mit seiner Form und seiner Fähigkeit, Wasserstoffbrücken auszubilden. Weiter möchte ich an dieser Stelle aber nicht darauf eingehen.  Viel wichtiger ist, dass man sich dabei vor Augen hält, dass Wasser dichter ist als Eis. Das heißt, Wasser besitzt eine höhere Dichte als Eis, ein höheres spezifisches Gewicht. Und wem das zu theoretisch ist: Wäre es anders, dann würden Eisberge nicht im Meer schwimmen, sondern zu Boden sinken. Noch einmal der wichtigste Punkt zu diesem Thema: Eis verflüssigt sich unter hohem Druck. Und welche praktischen Konsequenzen das hat, möchte ich anhand von ein paar Beispielen zeigen: Habt ihr euch zum Beispiel schon mal gefragt, warum man auf Eis Schlittschuh laufen kann, aber nicht auf Glas? Glas ist doch auch sehr glatt. Der Punkt ist der, dass wenn das Gewicht des Schlittschuhläufers auf die Kufe des Schlittschuhs drückt, sich unter der Kufe das Eis kurzzeitig verflüssigt. Das heißt, der Schlittschuhläufer läuft gar nicht auf Eis, sondern streng genommen läuft er auf Wasser. Er gleitet auf dem Wasser über das Eis. Bei Glas funktioniert das nicht, weil Glas sich eben nicht verflüssigt unter Druck. Ganz einfach. Beispiel 2 betrifft das Leben unter dem Eis. Habt ihr euch schon mal gefragt, wie die Fische es schaffen im Winter, wenn alles gefroren ist, im Wasser zu überleben? Die Antwort ist ganz einfach: Die Eisdecke, die sich auf dem See bildet, hat ein bestimmtes Gewicht und dieses Gewicht drückt auf das Wasser, das darunter ist. Ist der See tief genug, so kann die Eisdecke so schwer werden, dass das Wasser, was sich darunter befindet, durch den Druck flüssig bleibt. In diesem Bereich können die Fische dann in Ruhe überwintern. Ist der See dagegen zu flach, sodass die Eisfläche, die sich bildet, nicht schwer genug ist, um das Wasser zu verflüssigen, dann sterben die Fische. Im 3. Beispiel geht es um das Fließverhalten von Gletschern. Wenn es im Gebirge schneit oder auf den Landmassen, an den Polkappen, meinetwegen in Grönland oder in der Antarktis, dann bildet sich eine Schneedecke auf dem Land. Irgendwann erreicht diese Schneedecke eine so große Dicke, dass ihr Gewicht anfängt, das Wasser, das sich ganz unten befindet, zu verflüssigen. Befindet sich unsere Schneemasse an einem Hang, dann beginnt sie, an diesem Hang herunterzugleiten, weil das Wasser, das sich ganz unten gebildet hat, wie ein Schmiermittel wirkt. Auf diese Art und Weise fließt der Gletscher zu Tal. Wäre das nicht so, dann würde sich im Laufe der Jahrtausende, der Jahrmillionen das ganze Wasser der Polkappen und auf den Gebirgen sammeln, weil das Eis ja nicht mehr zurückfließen würde ins Meer. Das heißt, wir hätten riesige Eisberge irgendwo auf unserem Planeten und auf dem Rest des Planetens wäre es trocken. Nun wissen wir, wie das Phasendiagramm des Wassers aussieht. Und wir wissen weiterhin, welche Besonderheit - das heißt, Anomalie - es enthält. Außerdem verstehen wir nun, warum wir im Winter auf einem zugefrorenen See Schlittschuh laufen können, während unter der Eisdecke, auf der wir herumlaufen, die Fische glücklich vom Frühling träumen. Und damit möchte ich mich auch schon verabschieden. Tschüss, und bis zum nächsten Mal!