Wasser gefriert erst, wenn genügend Moleküle fest werden.

Eiskeime: Wie viele Wassermoleküle werden benötigt?

Es gehört zur Weihnachtszeit darüber zu spekulieren, ob es Schnee geben wird. Erst jetzt untersuchten Forschungsgruppen aus Göttingen und Amerika wie viele Wassermoleküle für einen Eiskristall benötigt werden. Wobei sie weniger Schneeflocken interessierten, sondern eher, unter welchen Bedingungen Eis auch in den Hohlräumen von Proteinen gefriert. Frostschutzproteine ermöglichen Fischen wie der Winterflunder das Überleben in unterkühltem Wasser.

Eisnadeln und dünne Eisschicht.
Unsere Erfahrung sagt: Unter null Grad Celsius gefriert Wasser. Aber so generell gilt das nicht, denn die Wasserstoffbrücken stabilisieren sowohl flüssiges Wasser als auch Eis. Foto: Kelly Sikkema/Unsplash CC BY 3.0 DE

Schneeflocken

Mit bloßem Auge lassen sich die Kristallnadeln von Schneeflocken betrachten. In den Wolken ist das Wasser so unterkühlt, dass es bei minus zwölf Grad Celsius noch flüssig ist. Selbst bei minus zwanzig Grad sind die Wolken noch ein Gemisch aus flüssigem Wasser und ersten Kristallisationskeimen. Je kälter eine Wolke ist, desto wahrscheinlicher bildet sich kompaktes Eis, je „wärmer“ desto wahrscheinlicher sind filigrane Schneeflocken. Ein Eisplättchen von einem Millimeter Durchmesser enthält Trillionen Wassermoleküle. Aber wie viele Moleküle sind nötig, um vom umgebenden Wasser einen Eiskristall unterscheiden zu können?

Das Phasendiagramm von Eis zeigt je nach Druck und Temperatur siebzehn verschiedenen Phasen: Eis Ih (hexagonal) und Ic (kubisch) bis XVI. Sie unterscheiden sich nicht so deutlich wie die Modifikationen des Kohlenstoffs, etwa als Graphit oder Diamant. Dennoch ändern sich Dichte und Kristallstruktur so deutlich, dass zwischen verschiedenen Phasen mit hexagonaler und kubischer Raumordnung unterschieden wird. Hinzu kommen amorphe Strukturen. Allgegenwärtig ist das unter Atmosphärendruck kristallisierende Eis Ih. Andere wurden im Weltraum gefunden, als Einschluss in Diamanten oder im Labor hergestellt.

Kristallisation

Im Unterricht kann der glasartige Zustand des Netzwerkbildners Siliciumdioxid als erstarrte Schmelze beschrieben werden. Amorphe und kristalline Bereiche wechseln sich ab. Auch im kalten Wasser existieren zunächst Netzwerke, die durch Wasserstoffbrücken entstehen. Die Bindungselektronen können recht leicht ihre Positionen wechseln und so ist die Bildung der Wassercluster sehr dynamisch. (Mehr zu dieser Fluktuation im Themenheft „Bindungen und Wechselwirkungen“, 2019, S. 41.)

Zeitschrift
Unterricht Chemie Nr. 169/2019 Bindungen und Wechselwirkungen

In dieser Ausgabe von Unterricht Chemie geben wir Ihnen Anregungen für eine schülergerechte Modellierung und das Arbeiten mit Modellen rund um das Thema Bindungen und Wechselwirkungen.

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Mit abnehmender Temperatur werden die Cluster stabiler. Gibt es eine Anzahl von Wassermolekülen, die eine Untergrenze für einen Kristall darstellt? Ein Kristall hat eine Fernordnung – insofern ist eine höhere Anzahl an Molekülen notwendig. Selbst wenn die Darstellung als Elementarzellen die Vorstellung nährt, dass bereits wenige Atome oder Moleküle sich regelmäßig anordnen, wirken an den Oberflächen verschiedene Effekte. Im Austausch mit der Umgebung können die Wassermoleküle zwischen den Aggregatzuständen flüssig und fest hin und her wechseln. Tatsächlich bilden 90 Wassermoleküle (plus/minus zehn weitere) die Untergrenze, um einen Cluster zu bilden, der sich wie Eis I strukturiert. Von da an kann der Keim weiter anwachsen, darunter ist das Eis nicht stabil.

Proteine und Frost

In der Natur wurden verschiedene Arten von Frostschutz-Proteinen erfunden. Im Blut der Winterflunder finden sich Proteine, die besonders viele polare Aminosäuren enthalten. Dadurch lagern sich Wassermoleküle leicht an – so wird die geordnete Kristallisation vermieden. Die Proteine können weitere Gruppen tragen, etwa Zuckerreste wie die Glykoproteine. Sie umlagern kleine mikroskopisch kleine Eiskristalle und bilden eine Art Abstandshalter. Auf diese Art werden die Zellmembranen geschützt. Ohne Frostschutz ist es eine Frage des Überlebens, ob Wasser gefriert. Die entstehenden Kristallnadeln können Membranen perforieren und Zellen austrocknen lassen.


Zum Weiterlesen

Der Beitrag aus Göttingen

Die verschiedenen Phasen von Eis

Unterricht Chemie 30 (2019), Nr. 169

Fakten zum Artikel
Schuljahr 10-12
  • Autor/in: Sylvia Feil