Kälter als Eis

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das
-Exp erim ent
Supergekühltes Wasser
Kälter als Eis
Im Winter können Äste und Stromleitungen
nach einem Regenguss plötzlich über und
über mit Eis bedeckt sein. Doch wie erstarren
Wassertropfen so rasend schnell? Bei
diesem Experiment könnt ihr das mit eigenen
Augen verfolgen!
Von Elke Reinecke
Spektrum der Wissenschaft / Buske-Grafik
Wasser
Eis
In der Grafik sind oben ungeordnete Wassermoleküle
dargestellt – das Wasser ist flüssig. Unten dagegen
liegen sie geordnet vor: als Eis. Dessen Molekül­gitter
weist eine sechseckige Grundform auf. Moleküle ordnen sich bevorzugt in regelmäßigen Struktu­ren an.
Um sie aus einem geordneten in einen ungeordneten
Zustand zu bringen, ist deshalb Energie nötig. Wie
­Wärme, die Eis zum Schmelzen bringt. Beim umgekehrten Prozess, wenn Wasser gefriert, wird Wärme frei.
-Experimentator
Im großen Foto verfolgt unser
Mau­rice (11) gerade, wie Eis blitzartig entsteht. Wieso
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Unsere Erde
das passiert und wo ihr das in der Natur oder zu
Hause selbst beob­achten könnt, erklären wir euch hier.
dreamstime / Kenneth Keifer
Spektrum der Wissenschaft / Manfred Zentsch
E
isige Kälte, das Thermometer fällt unter
null Grad: Das ist der Moment, in dem
statt Regen auf einmal wundervoller
Schnee vom Himmel fällt. Fußgänger
und vor allem Autofahrer macht diese Witterung
mitunter nervös, weil nun auch die Straßen glatt
werden. Doch nicht nur bei Schnee, auch nach
einem Regenschauer kann der Boden im Winter
mit Eis bedeckt sein. Wie kommt das?
Eine zweite Haut aus
Eis: So faszinierend
können Pflanzen nach
einem Eisregen aussehen (hier der Ast eines
Holzapfelbaums).
Wasser ist bei Zimmertemperatur flüssig. Bei
einer bestimmten Temperatur kann es in den
festen Zustand übergehen: Dann bildet es Eis­
kristalle und gefriert so zu Eis oder Schnee. Diese
Temperatur, »Gefrierpunkt« genannt, liegt bei
null Grad Cel­sius. Doch unter manchen Umstän­
den bleibt Wasser auch weit unter null Grad flüs­
sig: Eiskristalle entstehen nämlich nur, wenn sehr
kaltes Wasser auf so genannte Kristallisations­
keime trifft. Das können zum Beispiel Verunreini­
gungen in der Luft wie Staub oder Bakterien sein
oder bereits vorhandenes Eis.
Wenn Regen am Boden blitzschnell zu Eis wird,
handelt es sich entweder um gefrierenden Regen
oder um Eisregen. Meist haben wir es im Winter
mit gefrierendem Regen zu tun. Er fällt zunächst
als Schnee aus den Wolken. Kurz über dem Boden
durchqueren die Flocken jedoch wärmere Luft­
schichten und tauen dabei auf. Die so entstehen­
den Regentropfen haben kaum Zeit, sich wieder
zu dickeren Tropfen zusammenzuschließen. Es
fällt also ein sehr feiner Regen. Wenn die winzigen
Wasserperlen auf gefro­renem Boden auftreffen,
wird der Niederschlag dann schnell zu einer Eis­
schicht. So kann es schon nach wenigen Mi­nuten
spiegelglatt sein! Dagegen könnt ihr etwas unter­
nehmen – oder die Streufahrzeuge tun dies für
euch. Denn Salz senkt den Gefrierpunkt des Was­
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˘
Prinzip Taschenwärmer
Was bei unterkühltem Wasser funktioniert,
klappt bei anderen Flüssigkeiten teilweise
noch besser. Die kleinen Taschenwärmer, die
im Winter häufig verkauf t werden, sind zum
Beispiel mit flüssigem Natriumazetat gefüllt.
In ihrer Mitte steckt ein kleines, biegsames
Metallplättchen, ähnlich einem Knackfrosch.
Lässt man das Plättchen knacken, fängt
das Natriumazetat an zu kristallisieren. ­
Manche Taschenwärmer haben durchsichtige
­Plastik­hüllen. Bei ihnen könnt ihr diesen
­Vorgang – wie bei unserem Experiment – gut
beobachten. Und natürlich könnt ihr euch
an den Plastikkissen die Hände wärmen.
˘
sers, so dass der Regen erst bei minus 20 Grad Cel­
sius gefriert.
Bei Eisregen sieht das Ganze anders aus: Er be­
steht aus unterkühlten Regentropfen. Das sind
saubere Regentropfen, die durch kalte und sehr
reine Luftschichten fallen. Dabei kühlen sie zwar
auf weit unter null Grad ab – doch sie bleiben
trotzdem flüssig, da sie auf ihrem Weg keine
Kristallisa­tionskeime treffen. Stößt so ein unter­
kühlter Regentropfen dann auf ein festes Hinder­
nis, wirkt dieses als Kristallisationskeim, und der
Tropfen gefriert schlag­artig. Äste, Stromdrähte
oder Straßenbeläge sind dann binnen kürzester
Zeit von Eismänteln umgeben, die bis zu mehrere
Zentimeter dick sein können. Echter Eisregen
kommt in unseren Breitengraden zum Glück eher
selten vor. Denn da hilft auch kein Streusalz mehr!
Eine solche »Blitzkristallisation« könnt ihr
zu Hause mit eigenen Augen beobachten. Dafür
braucht ihr nicht viel: eine oder mehrere Plastik­
flaschen mit stillem Mineralwasser, wie ihr sie in
jedem Supermarkt bekommt, und eine Gefrier­
truhe oder ein Eisfach im Kühlschrank. Aber auf­
gepasst: Ihr dürft auf keinen Fall Glasflaschen
neh­men, und das Wasser darf keine Kohlensäure
enthalten. Denn dann gäbe es ganz viele Scherben!
Wir mussten eine Weile probieren, bevor wir
die besten Voraussetzungen für das Gelingen des
Experiments gefunden haben. Letztlich klappte
es am besten mit 1,5-Liter-Wasserflaschen, die wir
für etwa zweieinhalb Stunden in der Gefriertruhe
gekühlt haben. Wenn alles funktioniert, ist der
­Inhalt nach dieser Zeit noch nicht gefroren. Aber
wenn ihr die Flasche vorsichtig in die Hand nehmt,
dann merkt ihr, dass sie richtig kalt ist.
Schaut euch das Wasser darin genau an; viel­
leicht sind an irgendeiner Stelle der Flaschenwand
schon Eisstrukturen zu erkennen. Nun drückt
kräftig auf der Flasche herum, schüttelt sie ruck­
artig oder schlagt mit ihr ein paar Mal ­heftig auf
den Tisch – bei einer Plastikflasche geht das ja. Die
Erschütterungen sollten bewirken, dass sich ein
Kristallisationskeim bildet. Von diesem ausge­
hend gefriert dann der ganze Inhalt der ­Flasche
innerhalb von wenigen Sekunden. Falls nichts
passiert, einfach ab mit der Flasche zurück in
die Gefriertruhe. Und wenn es dann klappt, seht
genau hin – und ihr werdet bald wissen, wieso das
Ganze »Blitzkristallisation« heißt!
Elke Reinecke ist
-Redakteurin und sieht das
nächste Glatteis jetzt mit ganz anderen Augen.
Mehr im Netz:
Wollt ihr noch mehr Experimente
mit Kristallisation ausprobieren –
etwa mit Natriumazetat eigene
kleine Stalagmiten züchten? Dann
schaut auf unsere Website:
www.spektrum-neo.de/kristalle
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