Wasser: Tropfen und Eis

Vorwissen: Wasserstoffbrücken. Warum ist ein Wassertropfen rund? Und warum braucht Eis mehr Platz als flüssiges Wasser, sodass es schwimmt und Flaschen im Gefrierfach platzen?

Beobachten und deuten

Tropfen: Beobachte, wie aus dem Haufen auf der Glasplatte ein Tropfen wird. Schalte „Oberfläche markieren“ ein. Wie viele Nachbarn haben die Moleküle innen, wie viele an der Oberfläche?
Schalte „Zug der Nachbarn an der Oberfläche“ ein. In welche Richtung ziehen die Nachbarn an den Molekülen der Oberfläche? Warum heben sich die Zugkräfte innen auf? Erkläre damit, warum der Tropfen rund wird (Oberflächenspannung).
Gefrieren: Kühle langsam ab. Wo beginnt das Eis zu wachsen? Wie sind die Moleküle im Eis angeordnet?
Beobachte den Kolben beim Gefrieren. Was passiert mit dem Volumen? Erkläre mit den Wasserstoffbrücken, warum Eis eine kleinere Dichte hat als flüssiges Wasser.
Erwärme das Eis wieder. Was passiert mit den Wasserstoffbrücken und mit dem Volumen?

Versuch

Oberfläche markieren Zug der Nachbarn an der Oberfläche

Anzeige Wasserstoffbrücken zeigen

Modell und Grenzen

Das ist ein zweidimensionales Modell aus der Forschung („Mercedes-Benz-Modell“, Ben-Naim 1971; Silverstein, Haymet und Dill 1998). Jedes Molekül ist eine Scheibe mit drei Armen. Zeigen die Arme zweier Moleküle genau aufeinander, bilden sie eine Wasserstoffbrücke. Echte Wassermoleküle bilden im Raum vier Brücken (Tetraeder), in der Ebene sind es drei: Daraus wird das Wabenmuster.
Im Eis hat jedes Molekül drei Brücken in festen Richtungen. Dadurch bleibt in jeder Wabe ein Loch: Eis braucht mehr Platz als flüssiges Wasser, in dem die Moleküle auch in die Lücken rutschen. Im Modell sind es etwa 7 bis 15 % mehr (je nach Lauf), bei echtem Wasser 9 %.
Das Eis wächst vom kalten Boden aus. Ohne so eine Fläche gefriert Wasser in der Simulation (und oft auch in der Wirklichkeit) nur sehr langsam, und es entstehen viele kleine, verschieden gedrehte Kristalle.
Der Kolben drückt mit gleichbleibender Kraft. Er schwankt etwas, weil nur etwa 100 Moleküle im Gefäß sind. Aus demselben Grund ist das Dichtemaximum von Wasser bei 4 °C im Modell nicht zu sehen.
Die Temperaturen in °C sind grob umgerechnet: Das Modell schmilzt bei etwa 0 °C.
Beim Tropfen ist die allgemeine Anziehung zwischen den Molekülen (Van-der-Waals-Kräfte) verstärkt, damit der kleine Tropfen nicht verdunstet. Ein paar Moleküle verdampfen trotzdem und bilden Wasserdampf um den Tropfen.
Die Glasplatte zieht die Wassermoleküle an (Adhäsion). Hier ist die Anziehung so gewählt, dass ein Tropfen sitzen bleibt. Auf ganz sauberem Glas zieht das Glas stärker an, und Wasser läuft flacher auseinander. Die Schwerkraft spielt bei so kleinen Tropfen keine Rolle.
Die Pfeile zeigen den Zug der Nachbarn, also nur die Anziehung, über einige Augenblicke gemittelt. Innen ziehen die Nachbarn von allen Seiten, die Kräfte heben sich auf. An der Oberfläche fehlen die Nachbarn nach außen: Es bleibt ein Zug nach innen. Ganz nah stoßen sich die Moleküle ab, deshalb wird der Tropfen nicht beliebig klein.
Moleküle sind stark vergrößert, die Bewegung stark verlangsamt.
Wie das gerechnet und gezeichnet ist, steht ausführlich unter Methoden.