Hintergrundwissen zum Eis-Experiment

Ab 0°C gefriert Wasser. Das heißt, es geht von seinem flüssigen Zustand in den festen Aggregatzustand über und es bildet sich Eis. Du hast bestimmt schon mitbekommen, dass im Winter, wenn der Schnee die Straßen bedeckt, Salz gestreut wird, um sie eisfrei halten. Das Salz löst sich im Wasser - man nennt das eine wässrige Salzlösung. Hierdurch kann der Gefrierpunkt von 0°C bis zu -21 °C abgesenkt werden. Somit bildet sich bis zu dieser Temperatur kein Eis mehr auf unseren Straßen ^[1].

Umgekehrt schmilzt das Eis, wenn die Umgebungstemperatur oberhalb des Gefrierpunkts liegt. Deshalb schmelzen auch die Eiswürfel in deinem Getränk.

Diese zwei Beispiele zeigen, dass sowohl die Umgebungstemperatur als auch der Salzgehalt der wässrigen Lösung einen Einfluss darauf hat, ob Wasser schmilzt oder gefriert.

Wie kann also Eis in Form von Eisbergen an den Polen im Meerwasser schwimmen, ohne zu schmelzen? Ja klar – dort ist es ja kalt… Allerdings schwimmen die Eisberge in Meerwasser, das chemisch eine wässrige Salzlösung darstellt. Diese sollte eigentlich durch die Erniedrigung des Gefrierpunkts ein Schmelzen des Eisbergs noch begünstigen. Darüber hinaus ist es keine Seltenheit, dass Eisberge über das offene Meer in wärmere Breiten treiben und damit Schiffen, wie zum Beispiel der Titanic, zum Verhängnis werden können.

Beispiel:

Route der Titanic und Ort des Untergangs, gekennzeichnet mit einem roten X.

Circa 500 m südöstlich von Neufundland ^[2] im Atlantischen Ozean kollidierte im April 1912 das Passagierschiff Titanic mit einem etwa 122 Meter langen Eisberg. Starke Winde hatten zu dieser Zeit viel mehr Eisberge als gewohnt in diese Regionen getrieben, die sich mindestens 2000 km südlich der grönländischen Vereisung befinden. Augenzeugen zu Folge ragte der Eisberg, mit dem die Titanic kollidierte, 15 bis 30 Meter über die Wasseroberfläche. Geowissenschaftler berechneten seine Masse auf zwei Millionen Tonnen Eis ^[3].

Warum schmelzen die Eisberge nicht schon auf dem Weg ab?

Zunächst müssen wir die Rahmenbedingungen, d.h. die Temperatur sowie den Salzgehalt des Wassers klären: Die Temperatur des Atlantischen Ozeans beträgt an der Unglücksstelle der Titanic im Nordsommer etwa +12 °C. Selbst wenn die Temperatur im April etwas niedriger war, so ist sie doch weit oberhalb des Schmelzpunkts von Wasser. Zudem liegt der Salzgehalt des Meeres an dieser Stelle bei etwa 3,5 %, was 35 g Kochsalz pro 1 L Wasser entspricht ^[4].

Da wir diese Prozesse in der Natur nicht beobachten können müssen wir uns für ein Experiment geeignete Vergleichsmaterialien überlegen. Für dieses brauchen wir daher einen „Eisberg“ und ein „Meerwasser“:

Den Eisberg können wir einfach mit einem Eiswürfel nachstellen. Um das Schmelzverhalten beobachten zu können, färben wir diesen mittels Lebensmittelfarbe ein.

Das Meerwasser können wir ebenfalls leicht herstellen: Hierfür musst du nur Kochsalz (chemisch NaCl) in der entsprechenden Menge in Leitungswasser auflösen.

Damit das Experiment möglichst realistisch (d.h. der natürlichen Bedingungen entsprechend) ist, stellen wir eine wässrige Salzlösung mit dem Salzgehalt des Meerwassers an der Kollisionsstelle der Titanic (3.5 %) her.

In einem Experiment ist es aber auch immer wichtig, ein oder mehrere Vergleichsexperimente durchzuführen, um den Einfluss der einzelnen Faktoren genauer beurteilen zu können. Daher experimentieren wir auch mit einer wässrigen Lösung mit einem deutlich höheren Salzgehalt von 29% (das entspricht dem Salzgehalt im Toten Meer). Als Referenz werden wir auch ein Experiment mit Süßwasser, d.h. mit Leitungswasser ohne Zugabe von Salz, durchführen.