Warum gefriert Salzwasser schneller?

Das Paradox des gefrorenen Meeres: Warum Salzwasser langsamer gefriert

Die weit verbreitete Annahme, Salzwasser gefriere schneller als Süßwasser, ist ein hartnäckiger Irrtum. Tatsächlich verhält es sich genau umgekehrt: Salzwasser gefriert langsamer. Dieses scheinbare Paradoxon lässt sich mit dem Verständnis der molekularen Prozesse beim Gefrieren erklären.

Reines Wasser gefriert bei 0° Celsius. Dieser Punkt markiert den Übergang vom flüssigen in den festen Aggregatzustand, bei dem sich die Wassermoleküle in einer regelmäßigen, kristallinen Struktur – dem Eis – anordnen. Diese Ordnung wird durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen stabilisiert. Diese relativ starken Bindungen bilden ein dreidimensionales Netzwerk, das die charakteristische Struktur von Eis ausmacht.

Wird nun Salz (NaCl) in Wasser gelöst, dissoziiert es in Natrium- (Na⁺) und Chlorid-Ionen (Cl⁻). Diese Ionen stören die Bildung der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen. Sie wirken wie Fremdkörper im Wasser, die die regelmäßige Anordnung der Moleküle behindern und die Ausbildung der Eis-Kristallstruktur erschweren.

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, aus sorgfältig angeordneten Bausteinen ein präzises Muster zu bauen. Würden Sie nun einige unförmige Steine dazwischen mischen, wäre es deutlich schwieriger, das gewünschte Muster zu erstellen. Ähnlich verhält es sich mit den Salz-Ionen im Wasser: Sie unterbrechen den geordneten Aufbau der Eisstruktur und machen den Prozess des Gefrierens deutlich schwieriger.

Um die Eisbildung trotz der störenden Ionen zu ermöglichen, muss die Wasserlösung stärker abgekühlt werden. Die zusätzliche Kälteenergie kompensiert die gestörten Wasserstoffbrückenbindungen und liefert die notwendige Energie, um die Kristallstruktur trotz des Salzes zu bilden. Dieser Effekt wird als Gefrierpunkterniedrigung bezeichnet. Je höher die Salzkonzentration im Wasser ist, desto stärker wird der Gefrierpunkt erniedrigt und desto länger dauert es, bis das Salzwasser gefriert.

Dieser Effekt ist in der Natur allgegenwärtig. Die Meere und Ozeane, die große Mengen an gelösten Salzen enthalten, gefrieren bei Temperaturen deutlich unter 0° Celsius. Dies ermöglicht das Überleben von Meereslebewesen auch in kalten Regionen, da das Wasser nicht vollständig gefriert und somit ein lebensfreundliches Habitat bietet.

Die Fehlinterpretation, dass Salzwasser schneller gefriert, könnte von Beobachtungen herrühren, die den sogenannten Mpemba-Effekt betreffen. Dieser beschreibt das Phänomen, dass unter bestimmten, noch nicht vollständig verstandenen Bedingungen, heißes Wasser schneller gefrieren kann als kaltes Wasser. Dieser Effekt hängt jedoch nicht mit dem Salzgehalt zusammen, sondern mit verschiedenen Faktoren wie der Verdunstung, der Konvektion und der Wärmeübertragung. Er ist ein eigenständiges Phänomen und sollte nicht mit der Gefrierpunkterniedrigung von Salzwasser verwechselt werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Salzwasser gefriert langsamer als Süßwasser aufgrund der Gefrierpunkterniedrigung, die durch die Anwesenheit von Salz-Ionen verursacht wird. Diese Ionen stören die Bildung von Eis-Kristallen und erfordern eine stärkere Abkühlung, um den Gefrierprozess zu initiieren. Die verbreitete Annahme des schnelleren Gefrierens ist ein Irrtum, der durch eine Verwechslung mit anderen Effekten entstehen kann.