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Eis der Erde – Buch Kap.1.1

Physikalische und chemische Eigenschaften des Eises und seine Bedeutung

Dietmar Paschek (Institut für Chemie – Universität Rostock)

Kurzfassung: Wasser ist die im Universum am häufigsten vorkommende molekulare Verbindung. Aufgrund seiner spezifischen molekularen Struktur ordnen sich benachbarte Wassermoleküle so an, dass eine sogenannte Wasserstoffbrückenbindung ausgebildet wird. In einer energetisch besonders günstigen Weise umgibt sich ein Wassermolekül mit jeweils vier weiteren Wassermolekülen in einer tetraedrischen Anordnung. In dieser Konfiguration bildet das zentrale Wassermolekül jeweils vier Wasserstoffbrücken zu seinen Nachbarn aus. Diese Anordnung ist das grundlegende Strukturmotiv des Eises. Bei Temperaturerhöhung geht diese hochgeordnete, kristalline Struktur bei 273,15 K und 1 atm in eine ungeordnete Struktur ohne Fernordnung über, bei der ein Großteil der Wasserstoffbrücken aber weiterhin erhalten bleibt: flüssiges Wasser. Im flüssigen Wasser konkurrieren ungerichtete Wechselwirkungen mit den gerichteten Wasserstoffbrücken und bewirken eine Erhöhung der Zahl der nächsten Nachbarn von 4 auf etwa 4,5. Dies führt zu einer im Vergleich zum Eis etwa 9 Prozent erhöhten Dichte und der Tatsache, dass Eis auf Wasser schwimmt. Die Volumenzunahme beim Gefriervorgang führt weiterhin dazu, dass die Schmelzdruckkurve eine negative Steigung aufweist und sich somit die Schmelztemperatur bei Druckerhöhung verringert. Auf der Eisoberfläche existiert ein mehrere Nanometer dicker Flüssigkeitsfilm, welcher dem Eis seine Schlüpfrigkeit verleiht. Werden Eispartikel in Kontakt gebracht, friert dieser Wasserfilm an den Kontaktstellen aus und stellt eine feste Verbindung her.
Physical and chemical properties of ice and their importance: Water is the most abundant molecular compound in the entire universe. Due to its particular molecular structure, neighboring water molecules tend to form a so-called hydrogen-bonded geometry. The energetically most favorable arrangement is given by a central water molecule surrounded by four water molecules in a tetrahedral fashion with one hydrogen-bond formed to each of the four neighbors. This arrangement is the basic structural element of ice. Increasing the temperature to above 273.15 K at 1 atm leads to a transformation of the highly organized crystalline structure to a disordered structure without any long-range order, in which the hydrogen-bonds stay mostly intact: liquid water. In liquid water, directional hydrogen-bonded interactions compete with unspecific van der Waals interactions, leading to an increase in the number of nearest neighbors from 4 to about 4.5. This leads to a density-increase of about 9 percent with respect to ice and is the reason for ice floating on water. The volume increase during the freezing process leads to a negative slope of the melting curve and that the melting temperature decreases with increasing pressure. The ice surface is covered with a water-layer of several nanometer thickness, making the ice slippery. When brought into contact, the water-layer between two ice-crystals freezes, and creates a solid bridge between them.