Eis und Wasser in 3D

Vorwissen: Wasserstoffbrücken. Ein Ausschnitt aus einem Eiskristall und aus flüssigem Wasser, gleich groß. Warum passen ins flüssige Wasser mehr Moleküle?

Beobachten und deuten

Eis: Wie viele Wasserstoffbrücken hat jedes Molekül? In welche Richtungen zeigen sie?
Klicke auf „Entlang der Sechsecke“. Was siehst du? Warum heißt diese Eisform hexagonales Eis?
Wechsle zu flüssigem Wasser. Vergleiche die Zahl der Moleküle im gleichen Kasten und die Zahl der Brücken pro Molekül.
Erkläre damit, warum Eis eine kleinere Dichte hat als flüssiges Wasser und deshalb auf Wasser schwimmt.

Zustand

Anzeige Wasserstoffbrücken H-Atome

Ansicht

Dreht sich langsam

Modell und Grenzen

Eis: hexagonales Eis (Eis Ih), so wie es bei 0 °C entsteht. Jeder Sauerstoff hat vier Nachbarn im Abstand 2,75 Å, in den Ecken eines Tetraeders, und ist mit jedem über eine Wasserstoffbrücke verbunden. Die H-Atome sitzen nach den „Eisregeln“: jedes Molekül hat genau zwei eigene H-Atome, und auf jeder Verbindung sitzt genau ein H. Welche Verbindung welches H bekommt, ist im echten Eis zufällig (Protonen-Unordnung).
Im Bild liegt jedes H genau auf der Linie zum Nachbarn, der H–O–H-Winkel ist deshalb 109,5° statt 104,5°.
Flüssiges Wasser: ein Schnappschuss aus einer Molekulardynamik-Rechnung (OpenMM, Wassermodell TIP4P-Ew, 20 °C, 1 bar). Die Moleküle bewegen sich ständig, Brücken entstehen und brechen in Billionstelsekunden.
Als Wasserstoffbrücke zählt hier: O···O kürzer als 3,5 Å und das H zeigt höchstens 30° neben die Verbindungslinie.
Der Kasten ist ein Ausschnitt aus einem unendlich großen Stoff: Was rechts hinausragt, kommt links wieder herein. Brücken über den Rand werden nicht gezeichnet, aber mitgezählt.
Die Rechnungen lassen sich mit den Skripten im Ordner scripts/ice wiederholen.
Wie das gerechnet und gezeichnet ist, steht ausführlich unter Methoden.