Der Winter bietet so spannende Möglichkeiten, die Welt zu erforschen. Besonders abwechslungsreich wird es, wenn im Winter tatsächlich Schnee fallen sollte. Doch wie genau hängen Schnee, Eis und Wasser zusammen? Genau das zu verstehen, macht im Winter besonders viel Freude.
Betrachtest Du das Wasser aus der Leitung, wirst Du es sehr schnell beschreiben können. Das Wasser ist durchsichtig & flüssig. Es bewegt sich gescheidig immer soweit, dass es am tiefsten möglichen Punkt angelangt.
1. Im Fluss…den Berg hinauf & hinab
Tatsächlich bewegt sich nur das flüssige Wasser vorwärts. Doch wie genau schafft es das? Das zeige ich Dir hier:
Was wir benötigen: 2 Gläser, Schale, Wasser, Trinkhalm
Was zu tun ist: Stelle die Schale kopfüber auf den Tisch. Stelle eines der beiden Gläser auf die Schale & fülle es möglichst voll mit Wasser. Das zweite Glas stellst Du leer neben die Schale.
Überlege nun, wie das Wasser aus dem höheren Glas in das tiefer stehende Glas gelangen kann. Das einzige Hilfsmittel, das Du nutzen darfst ist der Trinkhalm. Na? Hast Du eine Idee?
Was wir herausgefunden haben: Durch leichtes Saugen am unteren Ende des Trinkhalms werden die Wasserteilchen aus dem oberen Glas in Bewegung versetzt. Sie bewegen sich zunächst „bergauf“, bevor sie über die lange Trinkhalmrutsche ins untere Glas wandern können. Wasserteilchen halten sich fest & fließen gemeinsam, als lange Wasserkette, durch den Trinkhalm. Saugt man das Wasser in den Trinkhalm, fließt das Wasser durch den gesamten Trinkhalm ins untere Glas. Das Wasser verhält sich wie eine Perlenkette: wenn der größte Teil der Kette nach unten fällt, zieht sie einen kürzeren Teil immer hinter sich her…auch einen „Berg hinauf“.
Wasser ist schwerer als Luft & wandert daher immer an den tiefsten Punkt, den es erreichen kann.
2. Das wandelbare Kleid des Wassers
Während Wasser bei Raumtemperatur flüssig ist, kennen wir es als dampfigen Flieger, wenn es erhitzt wird, oder als eisigen Kristall. Dabei kennen wir zwei Formen des gefrorenen Wassers: das Eis & den Schnee.
Was wir benötigen: 1 leere Plastikflasche mit Deckel, Temperaturen <0°C oder Tiefkühltruhe
Was zu tun ist: Befülle die leere Plastikflasche bis zum Rand mit Wasser & verschraube die Flasche mit dem Deckel. Betrachte nun den Inhalt der Flasche genau. Wie sieht das Wasser aus? Wie fühlt sich die Flasche an? – Zeit für eine Abkühlung! Dazu stellst Du die Wasserflasche ins Tiefkühlfach oder bei eisigen Temperaturen einfach nach draußen.
Was wir herausgefunden haben: Wenn Du einige Zeit gewartet hast, kühlt das Wasser in der Flasche immer weiter ab. Mehr & mehr Wasserteilchen verändern ihr Aussehen: sie erstarren & bilden Kristalle. Dabei hilft, dass Wasserteilchen über sogenannte Wasserstoffbrücken miteinander verbunden sind. Der Hauptgrund dafür ist, dass sich Wasserstoff (positiv geladen) & Sauerstoff (negativ geladen) durch ihren Ladungsunterschied anziehen. Dies passiert auch im flüssigen Wasser. Hier bewegen sich die Wasserteilchen allerdings so stark, dass diese Bindungen immer wieder gelöst & erneuert werden.
Im Eis nun bewegen sich die Wasserteilchen immer langsamer, so dass sich dauerhaft & stabil Kristalle ausbilden können. Die Wassermoleküle im gefrorenen Wasser benötigen mehr Platz, als die agilen flüssigen Wasserteilchen. Das ist der Grund, warum sich Eis im Verhältnis zu Wasser ausdehnt. Würdest Du statt Plastik eine Glasflasche verwenden, würde das Eis die verschlossene Flasche aufdrücken & platzen lassen.
Ist Dir auch aufgefallen, dass das Eis nicht mehr durchsichtig ist, wie das Leitungswasser zuvor? Das liegt daran, dass das kristalline Wasser – das Eis – das eintreffende Licht in unser Auge zurückschickt (reflektiert), während flüssige Wasserteilchen das Licht ungehindert hindurchscheinen lassen.
3. Das rätselhafte Verschwinden des Wassers
Während das Wasser beim Erkalten sein Aussehen ändert & zu Eis wird, stellt Wasser uns vor ein Rätsel, wenn wir es erhitzen. Daher nehme ich Dich in diesem dritten Experiment mit in eine kleine Wasserforscher-Detektivgeschichte.
Was wir benötigen: 1 tiefer Teller oder 1 flache Schale, 1 Korken, Eiswürfel, Heizung & warme Außentemperaturen
Was zu tun ist: Weißt Du eigentlich, was passiert, wenn Du einen Korken ins Wasser legst? Wenn Du eine Vermutung hast, dann fülle so etwas Wasser in Deinen Teller oder Deine Schale, so dass das Wasser 1 cm hoch ist. Nun lege den Korken auf das Wasser. Stimmt Deine Vermutung? Der Korken schwimmt auf dem Wasser herum. Du kannst gerne auch noch einen Eiswürfel dazulegen.
Nun stellst Du Deinen Versuchsaufbau auf eine Heizung oder an einen warmen Ort. Gedulde Dich & schaue gerne regelmäßig, was mit dem Eis & dem Korken passiert.
Was wir herausgefunden haben: Nach kurzer Zeit verschwindet der Eiswürfel. Zurück bleiben nur das Wasser in der Schale & der Korken. Wenn Du weiter wartest, fällt Dir auf, dass die Höhe des Wasserspiegels immer weiter abnimmt. Irgendwann bewegt sich der Korken nicht mehr schwimmend auf dem Wasser, sondern liegt auf dem Boden Deines Gefäßes. Doch wohin ist das Wasser verschwunden? Das Wasser ist verdunstet. So nennen wir es, wenn das Wasser warm wird & zu Wasserdampf wird.
Warmes Wasser bewegt sich schneller, als flüssig, normal temperiertes Wasser. Durch die schnellere Bewegung benötigen die Wasserteilchen mehr Platz & die Wasserteilchen halten sich nicht mehr fest. Jetzt können wir das Wasser nicht mehr sehen: es ist gasförmig.
Je mehr Wasserteilchen durch die Wärme der Heizung in Bewegung versetzt werden, umso mehr verschwinden von unserem Teller. Irgendwann ist zu wenig Wasser in flüssigem Zustand vorhanden, dass der Korken darin noch schwimmen kann. Er liegt am Boden & wir erkennen, dass nun weniger Wasser in der Schale war, als zu Beginn des Experimentes.
4. Der tanzende Wasserschleier
Wird Wasser erwärmt, verdunstet es. Das konntest Du im vorigen Experiment indirekt beobachten. Schließlich war das Wasser aus dem Gefäß irgendwann verschwunden. Wenn Du aber mit eigenen Augen beobachten möchtest, wie das Wasser aus dem flüssigen Zustand in den gasförmigen Aggregatszustand übergeht, dann ist dieses Experiment hier genau richtig für Dich.
Was wir benötigen: Löffel, Wasser, Kerze, Streichhölzer, Forscherbrille
Was zu tun ist: Setze Deine Forscherbrille auf, damit Deine Augen beim Beobachten des Experimentes jederzeit geschützt sind. Dann zündest Du die Kerze an & füllst Wasser auf Deinen Löffel. Den hältst Du nun ruhige mit etwas Abstand über die Kerzenflamme. Was passiert?
Was wir herausgefunden haben: Die Kerzenflamme erhitzt das Wasser & drängt immer mehr Wasserteilchen zu einer schnellen Bewegung. Schon nach kurzer Zeit kannst Du kleine Bläschen im Wasser aufsteigen sehen. Hierbei handelt es sich um gasförmiges Wasser. In diesem Zustand benötigt Wasser mehr Platz & steigt in die Luft auf.
Sobald eine größere Menge Wasser so stark erhitzt ist, dass es als Wasserdampf aus dem Wasser aufsteigt, können wir kleine Nebelschleier aufsteigen sehen. Dieses dampfige Wasser steigt auf & verschwindet dann in der Luft, weil sich die Wasserdampfteilchen zwischen den weiteren Luftteilchen der Umgebungsluft vermischen & für uns unsichtbar werden.
Genau dieses gasförmige Wasser ist übrigens die Grundlage für die zweite Form, gefrorenen Wassers: dem Schnee. An kleinsten Partikeln in der Luft, sammelt sich der Wasserdampf in der Luft. Kühlt diese unter 0°C kalt ab, bilden sich kleinste Eiskristalle. Wie Du schon weißt, halten sich die Wasserteilchen in dieser Kristallstruktur besonders gut fest. Immer mehr Kristalle finden sich & die Eiskristalle wachsen zu lockeren Ansammlungen heran, die wir irgendwann als Schneeflocke erkennen können.
Durch die lockere Struktur des Schnees, kann das Wasser nun noch besser das einstrahlende Licht in unser Auge zurück schicken. Beinahe die gesamte Lichtinformation dringt so in unser Auge & wir sehen weiß. So hellt das Wasser dunkle Wintertage auf & sorgt für reichlich Freude.
5. Der perfekte Schneeball
Vielleicht hast Du ja Glück, dass es bei Dir Schnee gibt. Genau dafür möchte ich Dir jetzt ein schönes Spiel im Schnee vorschlagen, das Dich gleichzeitig noch eine spannende Entdeckung machen lässt: Schneemann werfen.
Was wir benötigen: Schnee, 1 Schneemann, Schneebälle
Was zu tun ist: Jeder Spieler versucht nacheinander – z.B. mit 3 Schneebällen – den Schneemann zu treffen & umzuwerfen. Dazu kannst Du zunächst einen kleinen Schneemenschen bauen. Mit einem kleinen Schneeziel ist es nicht so leicht, zu treffen, aber leichter, ihn umzuwerfen, als mit einem großen Schneemann.
Dann fehlen noch die Schneebälle für den perfekten Wurf. Je nachdem, wie der Schnee beschaffen ist, klappt das besser oder schlechter. Probiere mal, die Schneebälle zu formen, wenn Du Handschuhe trägst & einmal, wenn Du die Handschuhe ausgezogen hast. Macht das einen Unterschied? Damit meine ich nicht, dass Du einmal kalte Finger bekommst & einmal nicht!
Was wir herausgefunden haben: Damit Du übrigens Schneebälle formen kannst, sollte der Schnee feucht sein. Besonders gut gelingt das, wenn Du mit bloßen Händen einen Schneeball formst.
Durch Deine Körperwärme lässt Du den äußeren Schnee des Balls antauen, der gleich aber wieder gefriert. Dadurch hinterlässt Du einen kleinen Eismantel, der verhindert, dass der Schnee auseinanderfällt. Diese Wärme dringt nicht so gut an den Schneeball, wenn Du ihn mit Handschuhen formst. Sollte der Schneeball dann nicht gut halten, kannst Du den Schnee mit aller Kraft zusammendrücken. Auch durch diesen Druck kannst Du die äußere Schneeschicht zum Schmelzen bringen & erhältst einen Schneeball mit stabiler Außenhülle.
6. Alles auf Anfang
Unsere große Forscherreise durch das vielfältige Aussehen des Wassers geht allmählich zu Ende. Bleibt noch, uns den Weg zurück anzuschauen. Wie bekommen wir unser Wasser wieder in den flüssigen Zustand zurück? Auch hierfür habe ich noch zwei Vorschläge für Dich vorbereitet. Einmal wirst Du mit mir beobachten, wie Wasser aus dem gefrorenen Kristallzustand gewonnen wird & dann zeige ich Dir noch, wie Du aus Wasserdampf an Wasser kommst. Lass uns mit dem gefrorenen Wasser starten:
Was wir benötigen: 3 Gläser, Schnee, Wasser, Eis, Papier & Tesafilm
Was zu tun ist: Befülle jedes der drei Gläser möglichst gleich hoch. Das erste füllst Du mit Wasser. Das zweite wird ebenso weit mit Schnee gefüllt & in das dritte gibst Du möglichst klein Eiswürfel (crushed Ice).
Markiere Dir mit einem Stück Papier, bis wohin Du das Glas zu Beginn des Experimentes gefüllt hattest. Dann stellst Du alle drei Gläser bei Raumtemperatur auf & beobachtest, was passiert.
Was wir herausgefunden haben: Wird gefrorenes Wasser erwärmt, nimmt es wieder seinen flüssigen, beweglichen Zustand ein. Das Eis bzw. der Schnee schmelzen. Nach einiger Zeit ist daher in allen drei Gläsern nur noch flüssiges Wasser zu sehen. Jedes Glas ist allerdings unterschiedlich hoch mit Wasser gefüllt. Während das Glas mit dem flüssigen Wasser immer noch so hoch gefüllt ist, wie zu Beginn des Experimentes, siehst Du, dass in dem Glas mit Eis schon deutlich weniger Wasser enthalten ist. Am wenigsten Wasser findest Du in dem Glas vor, das Du mit Schnee gefüllt hattest.
Wenn Du betrachtest, wie hoch das Glas jeweils zuvor gefüllt war, dann kannst Du sehen, was sich nun über dem Wasser befindet: Luft. Tatsächlich befindet sich zwischen den Eiskristallen des Eises, sowie des Schnees, Luft. Zwischen den locker angeordneten Schneekristallen finden allerdings viel mehr Luftteilchen Platz, weshalb im Schnee der Luftanteil deutlich höher liegt, als im Eis. Das zeigt auch unser Ergebnis.
Jetzt ist es aber an der Zeit, dass Du selber auf Forscherreise gehst. Auf der winterlichen Forscherreise durch die vielseitigen Zustände, die das Wasser einnehmen kann, wünsche ich Dir viel Freude.
Deine Andrea
