Was ist Eis und wie entsteht Eis eigentlich?

Eis ist gefrorenes Wasser. Rein physikalisch gesehen können auch andere gefrorene Stoffe – wie beispielsweise Kohlendioxid oder Methan – als Eis bezeichnet werden, im Allgemeinen und im praktischen Gebrauch meinen die Menschen aber gefrorenes Wasser.

Im folgenden Artikel erfährst du wichtige Fakten über Eis:

• Was ist Eis eigentlich?
• Wie entsteht Eis?
• Welche Farbe kann Eis annehmen?
• Wie breitet sich Schall im Eis aus?
• Wie hart ist Eis?

Was ist Eis?

Eis ist ein kristalliner Festkörper mit derselben chemischen Struktur wie Wasser, also H₂O. Dabei entsteht ein hexagonales Kristallsystem, das verschiedene Erscheinungsformen aufweist. Eine Schneeflocke besteht genauso wie ein Hagelkorn und der Eiswürfel im Glas aus denselben Eiskristallen. Wichtig ist die Dichte von Eis: Sie beträgt bei 0 °C 0,9168 g/cm³ und ist damit geringer als die Wasserdichte, die 1,0 g/cm³ beträgt. Daher schwimmt Eis auf der Wasseroberfläche.

Bei großen Eisbrocken wiederum drückt deren Gewicht sie zu 90% unter die Wasseroberfläche, was die prekäre Gefahr von Eisbergen für die Schifffahrt verursacht. An der Oberfläche ist nur ein Zehntel des Eisberges zu sehen. Reines Eis sind farblose, transparente Kristalle. In Eisblöcken und häufig auch in kleinen Eiswürfeln sind aber oft feine Luftbläschen eingeschlossen, die das Licht auf bestimmte Weise brechen und das Eis daher weiß erscheinen lassen.

Wie entsteht Eis?

Wasser gefriert bei 0 °C und Normaldruck (101,325 kPa) zu Eis. Für das Gefrieren bei dieser Temperatur sind aber Kristallisationskeime erforderlich. Das sind winzige Verunreinigungen des Wassers wie Staubpartikel oder auch Bakterien, an die sich die kristallisierenden Wassermoleküle anlagern. Völlig sauberes Wasser mit einigen Mineralien gefriert bei -48 °C, destilliertes Wasser ohne alle Mineralien erst bei – 70 °C.

Streusalz wiederum verhindert die Eisbildung bis zu einer bestimmten Minustemperatur, weil die Salzionen die Bildung der kristallinen Eisstruktur behindern. Dabei gilt: Je mehr Salz gestreut wird, desto niedriger sinkt der Gefrierpunkt, was allerdings eine gewisse Grenze bei rund -10 °C (Kochsalz) bis -21 °C (Magnesium- oder Kalziumchlorid) hat.

Die Farbe von Eis

Eis erscheint in unterschiedlichen Weiß- bis Blautönen, die vom Luftgehalt und vom Umgebungslicht abhängen. Sogar grün kann Eis erscheinen. Diesen Effekt machen sich Eiskünstler zunutze, deren Skulpturen sehr differenzierte Farben aufweisen können. Je mehr Luft im Eis enthalten ist, desto weißer wird es, daher ist der aus Flocken bestehende Schnee reinweiß. Dieser ist ein hervorragender Reflektor von Licht, daher müssen Skifahrer Sonnenbrillen tragen. Auch Eispartikel in sehr feinen Säulen verursachen bis hoch in die Wolken Lichtsäulen.

Schallausbreitung in Eis

Die Schallgeschwindigkeit ist im Eis höher als im Wasser und in der Luft, sie beträgt bei maximaler Eisdichte 3.250 m/s (zum Vergleich Luft: 343 m/s, Wasser: 1.480 m/s), wobei eine negative Dispersion (Streuung) der Wellen entsteht. Das ist ein umgekehrter Effekt gegenüber der Schalldispersion in den meisten Festkörpern. Dieser Effekt führt dazu, dass bei einem Eisriss auf einem gefrorenen See ein Pfeifen entsteht, das sich von einem sehr hohen zu einem sehr tiefen Ton wandelt. Wenn hingegen eine Saite aus Metall reißt, entsteht ein dumpfes (tiefes) Geräusch, was sofort höher wird.

Wie hart ist Eis?

Eis ist relativ weich und wird unter Druck flüssig, dadurch fahren Schlittschuhe auf Eis so gut. Die tatsächliche Härte beträgt 1,5 auf der Mohsschen Härteskala, das liegt zwischen der Härte von Talg und Gips. Dementsprechend kann jedermann Eis mit einem Fingernagel anritzen. Auch ist es durch seine kristalline Struktur spröde und zerbricht daher leicht. Dennoch kann es in großen Blöcken sehr tragfähig sein, wenn es auch dick genug ist. Fünf Zentimeter Eis können einen Menschen tragen, acht Zentimeter auch mehrere Menschen, 18 Zentimeter sogar ein Fahrzeug.