Entstehung und Struktur von Schnee und Eis einfach erklärt

Hast du dir schon einmal eine Schneeflocke auf deinem Handschuh genauer angesehen? Wenn du genau hinschaust, wirst du feststellen: Jede Schneeflocke sieht anders aus, aber alle haben immer genau sechs Ecken. Warum eigentlich nicht fünf oder sieben?

Die Antwort auf dieses Rätsel rund um die Entstehung und Struktur von Schnee und Eis liegt nicht im Himmel, sondern in der unsichtbaren Welt der Chemie! In dieser Lektion wirst du lernen, wie die besondere Form von winzigen Wassermolekülen dafür sorgt, dass riesige, wunderschöne Schneeflocken entstehen.

Vorwissen

• Das Wassermolekül: Hat die chemische Formel $\text{H}_2\text{O}$.

  Beispiel: Ein Sauerstoffatom ist mit zwei Wasserstoffatomen verbunden.

• Die gewinkelte Form: Wassermoleküle sind nicht gerade wie ein Strich aufgebaut.

  Beispiel: Sie haben eine gewinkelte Form, die ein bisschen wie ein "V" oder ein Bumerang aussieht.

• Gefrierpunkt: Der Punkt, an dem flüssiges Wasser zu festem Eis wird.

  Beispiel: Unter normalen Bedingungen gefriert Wasser bei $0 \text{ }^\circ\text{C}$.

Aufgabentyp 1: Die Molekülstruktur von Eiskristallen

Wenn Wasser gefriert, ordnen sich die Moleküle in einem festen Muster an. Weil jedes einzelne $\text{H}_2\text{O}$-Molekül eine gewinkelte Struktur hat, können sie sich nicht einfach flach nebeneinanderlegen. Stattdessen schließen sich immer genau sechs Wassermoleküle zu einem Ring zusammen.

Wegen der gewinkelten Struktur ist dieser Ring nicht platt wie ein Pfannkuchen. Er ist dreidimensional gebogen und sieht ein bisschen aus wie ein Liegestuhl. Chemiker nennen das einen "sesselförmigen" Ring.

Dieser sesselförmige Ring aus sechs Molekülen ist der Grundbaustein für jedes Eis. Wenn sich viele dieser Ringe aneinanderreihen, entsteht ein riesiges, regelmäßiges Gitter. Weil der Grundbaustein aus sechs Molekülen besteht, hat dieses Gitter eine hexagonale (sechseckige) Form. Das ist der Grund, warum alle Eiskristalle auf der Welt eine sechseckige Grundstruktur haben!

Aufgabentyp 2: Wie Eiskristalle in den Wolken entstehen

Das Wetter, also auch Schnee und Regen, entsteht in der untersten Schicht unserer Atmosphäre, der Troposphäre. Dort oben in den Wolken schweben winzige Wassertröpfchen. Obwohl es dort oft weit unter $0 \text{ }^\circ\text{C}$ kalt ist, gefrieren diese Tröpfchen überraschenderweise nicht sofort zu Eis.

Damit das flüssige Wasser zu einem festen Kristall werden kann, brauchen die Moleküle einen Startpunkt, an dem sie sich festhalten und ihren ersten Sechser-Ring bauen können. Dieser Startpunkt muss ein fester Stoff sein und wird Kristallisationskeim genannt.

Ein solcher Kristallisationskeim ist meistens ein winziges Staubkorn oder ein Rußpartikel, das in der Luft schwebt. Sobald sich das erste Wassermolekül an dieses Staubkorn anlagert und gefriert, ist der Bann gebrochen: Schlagartig lagern sich immer mehr Wassermoleküle an, und ein winziger Eiskristall beginnt zu wachsen.

Durchgerechnete Beispiele

Aufgabentyp 3: Von winzigen Kristallen zur großen Schneeflocke

Ein einzelner Eiskristall ist noch lange keine Schneeflocke. Er ist winzig klein. Während dieser kleine Kristall in der Wolke schwebt, wächst er weiter. An den sechs Ecken des Grundgerüsts lagern sich besonders schnell neue Wassermoleküle an. Dadurch wachsen an den Ecken lange Kristallnadeln heran. So bekommt jeder Kristall seine ganz eigene, sternförmige Form.

Irgendwann wird der Kristall so schwer, dass er anfängt, durch die Troposphäre nach unten in Richtung Erde zu fallen. Auf seinem Weg nach unten trifft er auf etwas wärmere Luftschichten, in denen die Temperatur bei etwa $0 \text{ }^\circ\text{C}$ liegt.

Bei dieser Temperatur schmilzt die äußerste Schicht des Kristalls ganz leicht an. Es bildet sich eine hauchdünne wässrige Schmelzschicht um das Eis.

Diese wässrige Schmelzschicht wirkt wie ein Kleber! Wenn nun mehrere dieser leicht feuchten Kristalle in der Luft zusammenstoßen, verhaken sich ihre Nadeln ineinander und die flüssige Schicht friert sie fest zusammen. Durch diese Zusammenlagerung (Aggregation) vieler einzelner Kristalle entsteht schließlich die große, flauschige Schneeflocke, die auf deinem Handschuh landet.

Wichtige Erkenntnisse

• Die gewinkelte Form der Wassermoleküle zwingt sie beim Gefrieren in einen sesselförmigen Sechser-Ring. Das führt zur hexagonalen (sechseckigen) Form aller Eiskristalle.

• Wassertropfen in Wolken gefrieren nicht von selbst. Sie benötigen ein Staubkorn als Kristallisationskeim, um den ersten Eiskristall zu bilden.

• Wenn Eiskristalle in wärmere Luft fallen, bildet sich eine wässrige Schmelzschicht. Dadurch kleben und frieren viele Kristalle zu einer großen Schneeflocke zusammen.