Warum schwimmt Eis auf Wasser?
Eis schwimmt auf Wasser, weil es eine geringere Dichte als flüssiges Wasser besitzt. Die Dichte beschreibt das Verhältnis von Masse zu Volumen. Normalerweise wird ein Stoff beim Abkühlen dichter, da sich die Teilchen langsamer bewegen und enger zusammenrücken. Bei Wasser tritt jedoch eine Besonderheit auf: Während die meisten Flüssigkeiten beim Erstarren dichter werden, dehnt sich Wasser beim Gefrieren aus. Diese Ausdehnung führt dazu, dass Eis ein größeres Volumen einnimmt, obwohl seine Masse gleichbleibt. Dadurch sinkt seine Dichte unter den Wert von flüssigem Wasser, was bewirkt, dass Eisstücke an der Oberfläche treiben. Dieselbe Eigenschaft erklärt, warum eine mit Wasser gefüllte Flasche im Gefrierfach oder bei starkem Frost bersten kann: Beim Übergang in den festen Zustand vergrößert sich das Volumen, der Druck steigt und das Behältnis hält dieser Ausdehnung oft nicht stand.
Der Grund für dieses Verhalten liegt in der Struktur der Wassermoleküle. Wasser besteht aus H₂O-Molekülen, die untereinander Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden. Im festen Zustand, also im Eis, ordnen sich die Moleküle in einem hexagonalen Kristallgitter an. Diese Anordnung ist stabil, lässt aber vergleichsweise viel Raum zwischen den Molekülen. In der flüssigen Phase sind die Moleküle flexibler angeordnet und können dichter zusammenrücken. Daher ist Wasser zwischen etwa 0 °C und 4 °C am dichtesten, während gefrorenes Eis eine geringere Dichte aufweist.
Dieses Phänomen hat erhebliche ökologische Folgen. Da Eis auf Wasser schwimmt, gefrieren Gewässer nicht von unten nach oben vollständig durch. Eine Eisschicht an der Oberfläche isoliert das darunterliegende Wasser und schützt Lebewesen vor Kälte. Ohne diese Eigenschaft könnten viele Ökosysteme in kälteren Regionen nicht überleben. Ein ähnlicher Effekt wird bei der Bauweise von Iglus genutzt. Zwar besteht ein Iglu in erster Linie aus kompaktem Schnee, doch auch Eis und Schnee wirken als Isolatoren, da die im Material eingeschlossenen Luftporen die Wärmeleitung verringern. Auf diese Weise sorgt die spezielle Struktur von gefrorenem Wasser nicht nur für das Schwimmen von Eis, sondern auch für wichtige Schutzmechanismen in Natur und Kultur.
