Bei welcher Wassertemperatur friert man?

Das Geheimnis des gefrorenen Wassers: Warum Reinwasser nicht bei 0°C gefriert

Wir alle kennen den Satz: Wasser friert bei 0°C. Doch dieser scheinbar einfache Sachverhalt verbirgt eine faszinierende physikalische Feinheit. Reinwasser gefriert nicht bei exakt 0 Grad Celsius, sondern erst bei deutlich niedrigeren Temperaturen. Der Grund liegt in den komplexen Vorgängen der Kristallisation.

Im Gegensatz zu dem, was man vielleicht erwartet, benötigt Wasser zur Eisbildung Kristallisationskeime. Diese winzigen Partikel, sei es Staub, Schmutzpartikel oder sogar winzige Blasen, dienen als “Vorlagen” für die Entstehung der kristallinen Eisstruktur. Ohne diese Keime kann sich das Wasser unterhalb von 0°C befinden, ohne zu gefrieren. Man spricht dann von einer Unterkühlung.

Diese Unterkühlung ist kein theoretischer Kunstgriff, sondern ein physikalisches Phänomen, das unter bestimmten Bedingungen beobachtet werden kann. Reines, sorgfältig gereinigtes Wasser, frei von jeglichen Verunreinigungen, kann ohne Fremdpartikel erstaunliche -7°C erreichen, ohne zu gefrieren. Erst dann, bei dieser kritischen Temperatur, beginnt die spontane Eisbildung.

Die Ursache für dieses Verhalten liegt in der komplexen Anordnung der Wassermoleküle. Ohne die Kristallisationskeime finden die Moleküle keine Möglichkeit, sich in der für Eis typischen hexagonalen Struktur anzuordnen. Die Energie, die nötig ist, um diese Struktur zu bilden, fehlt, bis die Temperatur ein bestimmtes Niveau unterschreitet.

Die Möglichkeit der Unterkühlung hat Auswirkungen auf verschiedene Bereiche, von der Natur bis hin zur Technik. In der Natur kann sie beispielsweise zu dem Phänomen führen, dass Regentropfen bei Temperaturen knapp unter dem Gefrierpunkt noch flüssig bleiben, um dann bei Kontakt mit einem geeigneten Kristallisationskeim, wie einer Schneeflocke, zu gefrieren. Auch in technischen Prozessen, wo extrem reines Wasser zum Einsatz kommt, muss man die Möglichkeit der Unterkühlung berücksichtigen. Eine unkontrollierte Eisbildung kann unerwünschte Folgen haben.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Wasser friert nicht einfach bei 0°C. Die Bildung von Eis ist ein komplexer Prozess, der die Anwesenheit von Kristallisationskeimen benötigt. Reinwasser kann, durch gezielte Vermeidung von Verunreinigungen, deutlich unter 0°C unterkühlt werden, bevor es spontan zu Eis gefriert.