Eiswürfel bestehen aus Wasser, genauer gesagt aus vielen Wassermolekülen. Ein Wassermolekül setzt sich aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom zusammen. Diese sind über eine polare, kovalente Bindung miteinander verbunden.
Der chemische Aufbau von Wasser
Die Elektronegativität beschreibt die relative Stärke eines Atoms, die Bindungselektronen in einer chemischen Bindung an sich zu ziehen. Je höher der Elektronegativitätswert ist, umso stärker zieht ein Atom die Elektronen an sich. Sauerstoff hat einen Elektronegativitätswert nach Pauling von 3,5 und der von Wasserstoff beträgt 2,1. Somit zieht das Sauerstoffatom das Bindungselektronenpaar stärker an sich heran, wodurch Ladungsschwerpunkte, sogenannte Dipole, entstehen. Dadurch sind die Wasserstoffatome partiell positiv geladen und das Sauerstoffatom ist partiell negativ geladen. Überdies beträgt der Bindungswinkel, der zwischen den beiden kovalenten Bindungen besteht, 104,45°, was dazu führt, dass das Molekül einen gewinkelten Aufbau besitzt.
Wasserstoffbrückenbindungen
Durch die bestehenden Ladungsschwerpunkten in den Wassermolekülen kommt es zu Wechselwirkungen zwischen den Molekülen. Gleiche Ladungen stoßen sich ab und unterschiedliche Ladungen ziehen sich an. Es kommt zur Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Molekülen, wodurch sich Cluster bilden. Diese Cluster sind aber nicht starr, sondern variabel. Da die Wasserstoffbrückenbindungen immer nur kurzzeitig bestehen, können immer wieder Moleküle aus einem Cluster herausfallen und sich an anderer Stelle wieder neu verbinden. Dieser Vorgang findet ununterbrochen statt. Es bilden sich unendliche große Wassermoleküle, da ein Wassermolekül theoretisch mit vier weiteren über Wasserstoffbrücken verbunden sein kann. Die Wasserstoffbrückenbindungen sind der Grund, warum das Wasser seine ganz speziellen Eigenschaften besitzt.
Die Dichteanomalie des Wassers
Im Normalfall nimmt das Volumen beim Wechsel vom festen in den flüssigen Aggregatzustand zu und die Dichte somit ab. Anders verhält sich dies beim Wasser, das bei exakt 3,98° Celsius die höchste Dichte hat. Dieses Phänomen wird als die Dichteanomalie des Wassers bezeichnet. Bei 3,98° Celsius nehmen die Cluster das geringste Volumen ein. Bei höheren Temperaturen sind die Moleküle beweglicher, wodurch sich ihre Dichte verringert, und das Volumen erhöht.
Unter dieser Temperatur nimmt die Bewegungsenergie der Wassermoleküle immer weiter ab. Aus den zuvor variablen Clustern bilden sich mehr und mehr starre hexagonale Cluster. Es kommt final zur Bildung eines starren Kristallgitters. Bei diesem ist jedes Sauerstoffatom tetraedrisch von vier Wasserstoffatomen umgeben. Zwischen den Wassermolekülen haben sich Hohlräume gebildet, welche natürlich mehr Platz benötigen. Somit hat Eis ein höheres Volumen als Wasser. Genau gesagt hat Eis ein zehnmal höheres Volumen als Wasser, aber dafür eine zehnmal geringere Dichte, da die Wassermoleküle durch die entstandenen starren Hohlräume nicht mehr so eng gepackt sind. Aus diesem Grund schwimmen Eiswürfel auf der Oberfläche.
Dadurch, dass Wasser bei 4° Celsius die geringste Dichte hat, wird ein Durchfrieren von Gewässern verhindert. Oberflächenwasser mit einer Temperatur von unter 4° Celsius kann nicht nach unten sinken, was ein Abkühlen tieferer Gewässerschichten verhindert und ein Überleben der Lebewesen im Wasser ermöglicht.
Weitere besondere Eigenschaften des Wassers
Wasser ist zwischen 0° und 100° Celsius flüssig, darüber gasförmig und darunter fest. Durch die bestehenden Wasserstoffbrückenbindungen wird mehr Energie benötigt, um die Aggregatzustände zu wechseln, weswegen der Schmelz- und Siedepunkt von Wasser höher liegt als erwartet. Theoretisch wäre Wasser bei 25° Celsius ein Gas und das Leben auf der Erde wäre in dieser Form wahrscheinlich gar nicht möglich. So ist Wasser aber der einzige Stoff auf der Erde, der in nennenswerten Mengen in allen drei Aggregatzuständen vorliegt.
Wasser hat mit Ausnahme von Quecksilber die größte Oberflächenspannung unten allen Flüssigkeiten. Diese machen sich zum Beispiel einige Insekten wie der Wasserläufer zu nutzen, weswegen dieser über das Wasser laufen kann. Wir Menschen sind dafür zu schwer. Aber dafür nutzen wir bei der Tränenbildung die Oberflächenspannung aus, wodurch Verunreinigungen aus dem Auge befördert werden.
Wasser hat zudem unter allen Flüssigkeiten die größte Verdampfungsenthalpie, was sich in einem kühlenden Effekt beim Schwitzen bemerkbar macht. Als Mpemba-Effekt wird eine weitere spezielle Eigenschaft des Wassers bezeichnet. Unter bestimmten Bedingungen gefriert nämlich heißes Wasser schneller als kaltes.
Obendrein ist die Wärmekapazität die höchste unter allen Flüssigkeiten. Diese spiegelt sich darin wider, dass beispielsweise Ozeane ausgezeichnete Wärmespeicher sind. Zudem ist die Schmelzenthalpie und die Wärmeleitfähigkeit hoch, sofern man nur Flüssigkeiten betrachtet. Überdies ist Wasser ein hervorragendes Lösungsmittel, was an seiner hohen Dielektrizitätskonstante liegt.