Eis
Dieser Artikel beschäftigt sich mit Eis als Aggregatzustand des Wassers. Für das Lebensmittel siehe: Speiseeis.
Eis ist der feste Aggregatzustand des Wassers. Je nach Sichtweise gilt es damit als festes Gestein oder als glasartige Flüssigkeit (glasartig im Sinne von transparent, nicht von amorph). Die festen Aggregatzustände anderer Substanzen, die normalerweise flüssig oder gasförmig sind, nennt man häufig ebenfalls Eis, beispielsweise Trockeneis aus Kohlenstoffdioxid.
Aggregatzustände
Wasser tritt auf der Erde in den drei klassischen Aggregatzuständen auf: Feststoff, Flüssigkeit oder Gas. Gemische aus festen und flüssigen Stoffen heißen Schlämme oder Suspensionen, aus flüssigen und gasförmigen Stoffen Schäume, und aus gasförmigen und festen Stoffen Stäube oder - wenn der feste Bestandteil überwiegt - Schwämme. Ist die gasförmige Substanz Luft, und die flüssige und feste Substanz im Wesentlichen Wasser (in natürlichem Wasser sind immer viele weitere Substanzen gelöst), dann nennt man diese verschiedenen Phasen und Phasengemische teilweise anders:
Wasser
Gasförmiges Wasser heißt Wasserdampf oder Luftfeuchte und verursacht in großer Höhe Wolken und am Boden Nebel, indem es Aerosole aus winzigen Wassertröpfchen oder auch Eispartikel bildet. Flüssiges Wasser heißt Wasser - je nach Reinheit und Salzgehalt unterscheidet man im Wesentlichen: destilliertes Wasser, Süßwasser und Salzwasser (Meerwasser). Auf Grund eines Temperaturabfalls (üblicherweise nachts) nennt man Wasser, das sich in Bodennähe niederschlägt, Tau, aus großer Höhe ausfallendes Wasser Regen.
Eis und Schnee
Festes Wasser heißt Eis. Eisstaub, der noch aus Eiskristallen besteht, heißt Schnee, Eisschlamm auch Eisbrei oder Grieseis, Eisschwamm schließlich Firn. Sublimierendes, das heißt direkt vom gasförmigen in den festen Zustand übergehendes, Wasser heißt Raureif. Aus großer Höhe herabfallendes Eis mit hohem Luftgehalt heißt Hagel oder, wenn es rein ist, Korneis. Eisregen ist dem gegenüber Regen, der erst unmittelbar bei Auftreffen auf der Erde gefriert.
Vorkommen
Eis entsteht bei Temperaturen um den Gefrierpunkt (0 °C) oder darunter. Es herrscht daher in den arktischen Klimazonen vor und entsteht in den gemäßigten Zonen nur im Winter, in allen Klimazonen jedoch in den Gebirgen oberhalb der (jahreszeitlich schwankenden) Schneegrenze. Da Eis wegen der Dichteanomalie des Wassers leichter ist als Wasser, schwimmt es darauf. Auf Gewässern bilden sich Eisschichten. Eis, welches sich ausnahmsweise wegen seiner Entstehungsgeschichte am Boden eines Gewässers befindet, heißt Grundeis.
Gefriert die See, so bildet sich Meereis. Das Salz wird dabei an die See abgegeben oder sammelt sich in Sole-Einschlüssen. (Das Eis selbst ist immer festes Süßwasser). Je nach Größe und Zusammenballung des Eises unterscheidet man Nadeleis, Grieseis, Pfannkucheneis, Eisschollen und Packeis. Eine natürliche eisfreie Fläche, die jedoch vollständig von Packeis umgeben ist, heißt Polynya. Künstliche, in das Eis geschlagene Rinnen und Löcher heißen Wuhnen. Dauerhaft mit dem Festland verbundenes Eis von Gletschern heißt Schelfeis, während Eisberge von Gletschern abgebrochene (gekalbte) Eismassen sind.
Eis auf dem Festland heißt demgegenüber Inlandeis (oder auch Inlandseis). In den arktischen Klimazonen und im Hochgebirge bildet es in Tälern Gletscher aus. Gletscher fließen. Man spricht vom Eisfluss oder Eisflussnetz.
Außerhalb der Erde kommt Eis auf vielen Planeten und vor allen Dingen Monden und Asteroiden vor. Manche Himmelskörper bestehen sogar zum größten Teil aus Eis.
Physikalische Eigenschaften
Modifikationen
Natürliches Eis bildet hexagonale Kristalle, das heißt sechs Wassermoleküle schließen sich jeweils zu einem Ring zusammen und dieser Ring hängt auf allen Seiten wieder mit Sechserringen zusammen. Die Struktur kann man schon bei Betrachtung einer Schneeflocke erkennen kann. Es wird mit Eis Ih bezeichnet. Unter -22 °C und über 207,5 MPa bilden sich jedoch noch andere, zum Beispiel kubische Eisformen aus. Bisher sind 18 (Stand Januar 2004) verschiedene Formen bekannt, 13 kristalline und 5 amorphe, also Formen ohne Kristallstruktur. Die 13 kristallinen heißen Ih, Ic, sowie II bis XII.
Kurt Vonnegut hat, als erst Eis VIII bekannt war, in seinem Science-Fiction-Roman Cat's Cradle ein fiktives Eis neun beschrieben.
Farbe
Eis kann nach dem Luftgehalt klassifiziert werden. Eis, das viel Luft enthält, ist weiß, solches, das wenig Luft enthält, ist durchsichtig und blau oder grün.
Schnee enthält bis zu 95 % Luft. Graupel ist ebenfalls leichter, größer und heller als Hagel, während Eiskörner rein und durchsichtig sind. Auf Gewässern bilden sich durchsichtige Eisschichten. Tropfendes Wasser kann durchsichtige Eiszapfen, die Stalaktiten, bilden.
Eis und Schnee reflektieren das Sonnenlicht. Innerhalb der Erdatmosphäre verursachen Eispartikel damit Halos. Astronomisch und geophysikalisch sind Eis und Schnee häufig Verursacher einer hohen Albedo.
Erstarrungsvorgang
Voraussetzung für die Bildung von Eis sind Kristallisationskerne. Das sind Verunreinigungen, Staubpartikel u. ä., an denen sich die kristallisierenden Wassermoleküle anlagern können. Fehlen diese, ist das Wasser also sehr rein und sind die Mengen klein, so kann es bis zu -23 °C abgekühlt werden, ohne fest zu werden. Dieser Vorgang heißt allgemein Supercooling (Unterkühlung), ist eine der vielen weiteren Anomalien des Wassers und einer der Gründe, warum beispielsweise Insekten und andere Lebewesen, deren Blut oder Cytoplasma grundsätzlich gleich der Umgebungstemperatur ist, im Winter überleben können. Es ist auch der Grund, warum gefrorene Lebensmittel auch im Kühlschrank nicht ewig halten.
Cluster
Ähnlich wie das Kohlenstoffatom hat das Wassermolekül die Form eines Tetraeders. So wie Kohlenstoffatome daher ungewöhnliche Makromoleküle zum Beispiel von der Form eines innen hohlen Fußballs (siehe Fullerene) formen können, so bilden Wassermoleküle ungewöhnliche Molekülcluster, welche andere Moleküle umschließen können. Allgemein heißen solche Formationen Klathrate. Von besonderer Bedeutung sind hier auch die nur so genannten Gashydrate.
Supergekühltes Wasser bildet Ikosaeder (H2O)280 in zwei Formationen (ES und CS).
Anomalien
Wasser weist bisher 41 bekannte Anomalien auf. Das sind Eigenschaften, die vom erwarteten Regelfall abweichen. Für das Eis sind die folgenden von Bedeutung:
- Eis ist weniger dicht, also leichter als Wasser, damit schwimmt es auf dem Wasser. Zu dieser Dichteanomalie) kommt es, da die Wassermoleküle im hexagonalen Gitter einen größeren Abstand zueinander haben, als im flüssigen, ungeordneten Zustand.
- Im Phasendiagramm hat Wasser mehr feste Modifikationen als jeder andere Stoff: 13 kristalline, 5 amorphe, 1 flüssige, 1 superkritische und 1 gasförmige. Das Phasendiagramm enthält 11 Tripelpunkte - ein weiterer nicht beweisbarer Tripelpunkt bei 0 K kann vermutet werden - und 2 Kritische Punkte.
- Wasser ermöglicht in höherem Maße Supercooling als andere Stoffe: Auch unter natürlichen Bedingungen kann es bis -23 °C flüssig bleiben.
- Wasser hat einen zweiten kritischen Punkt bei -91 °C.
- Supergekühltes Wasser hat zwei Phasen (ES und CS) und existiert unter künstlichen Bedingungen (sehr hohe Drücke) auch bei Temperaturen von bis zu -149 °C.
- Heißes Wasser gefriert schneller als kaltes Wasser.
Nutzung
Die Lehre vom Eis heißt Glaziologie, die des Wassers Hydrologie, mit Wasserdampf und Niederschlag beschäftigt sich auch die Meteorologie.
Da die Oberflächen von Eis und Schnee eine Schicht nur schwach gebundener Wassermoleküle besitzen, ist die Reibung auf einer Eis- oder Schneefläche gering. Dadurch sind Wintersport (Eislauf, Skifahren, Schlittenfahren) oder Schlitten als Transportmittel erst möglich. Gleichzeitig stellt die geringe Reibung auf Schnee und Eis besondere Anforderungen an die sichere Fortbewegung im Verkehr (Fußgänger, Fahrzeuge, Schneeketten). Ebenso stellt Packeis besondere Anforderungen an die Schifffahrt (Eisbrecher).
Schon die Römer nutzten Gletschereis zur Kühlung von Speisen und zur Herstellung von Erfrischungsgetränken. Diese Nutzung war allerdings den Reichen vorbehalten. Im 19. Jahrhundert begann in Nordamerika die kommerzielle Nutzung von Wintereis, zunächst als Luxusgut für Menschen in tropischen Ländern, später auch als Massengut für den Hausbedarf; der "Eismann" brachte Eisblöcke, mittels derer verderbliche Nahrungsmittel länger frisch gehalten werden konnten. Mit der Elektrifizierung und Einführung des Kühlschranks fand dieses Gewerbe sein Ende. Heute wird fast das gesamte vom Menschen zu Speisezwecken genutzte Eis von Kältemaschinen oder in Kühlschränken hergestellt.
Speiseeis ist eine aus Fruchtsäften oder Milchmixgetränken hergestellte Schneemasse oder Eisschlamm, da kompaktes Eis zu Erfrierungen der Zunge führen würde.