Warum gefriert Wasser klar andere Flüssigkeiten jedoch nicht?

Hallo an alle Chemiker und Physiker und auch an alle anderen neugierigen Mitleser die sich hier so tummeln.

Vielleicht könnt ihr mir helfen diese Frage zu beantworten; und zwar hatte ich in meiner Laufbahn als Hobbychemiker und Physiker schon mit vielen unterschiedlichen Flüssigkeiten zu tun gehabt. Dabei ist mir aufgefallen, dass eigentlich alle diese Flüssigkeiten zu einer Milchig trüben kristallinen Masse erstarren, was vermutlich an an den vielen Korngrenzen liegen dürfte die sich beim Erstarren bilden.

Hier mal ein Beispiel an Eisessig Schmelzpunkt 17 Grad:




Tert Butanol Schmelzpunkt 26 Grad:

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Palmitinsäure Schmelzpunkt 63 Grad




Im vergleich dazu Kristallisiert Wasser sehr klar. Die weißen Trübungen in Eiswürfeln kommen in der Regel von Luftblasen die im Wasser als Gas gelöst waren. Diese lassen sich aber durch abkochen oder Vakuumbehandlung vorher größtenteils entfernen.

Hier schöne klare Eiswürfel. Man erkennt keinerlei Gefüge im Eis.




Damals hatte ich mit Erythrit einem Zuckeralkohol der bei 120 Grad schmilzt versucht spaßeshalber einen kleinen Wärmespeicher zu bauen, da Erythrit sowohl eine hohe Wärmekapazität als auch Schmelzenthalpie besitzt. Allerdings selbst nach Stunden in Wärmeisolierter Umgebung bildeten sich lediglich große Kristalline Parzellen mit scharfen Korngrenzen. Sah interessant aus aber durchschauen konnte man da nicht. Vom Aussehen her kam es diesem Glas hier recht nahe.



Woher kommt es also das Wasser so klar gefriert, andere Flüssigkeiten aber scheinbar nicht?
Bin mal gespannt auf eure Antworten.

@SagittariusB

Das liegt vermutlich daran, dass viele Stoffe Nebenstoffe beinhalten, und reines Wasser nur wenig Nebenstoffe hat.

Weil Wasser so gut wie salzfrei ist?

Dass Wasser immer klar gefriert, denke ich nicht, denn was ist mit all den Dingen hier?


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Es muss ja irgendeinen Grund geben, warum Wasser mitunter auch undurchsichtig gefriert. Ich glaube bei Eiswürfeln liegt es auch nur daran, wenn man heißes Wasser gefrieren lässt. Dann werden sie klar. Wenn ich hingegen normales oder kaltes Wasser nehme, wird es nicht so klar.

Vergesst was ich vorher geschrieben habe, das stand schon oben.....

@SagittariusB
Irgendwie sehen Eiswürfel in der Realität doch nicht aus wie auf deinem Bild im EP



Und dazu gibts noch einen interessanten Artikel:
https://web.de/magazine/ratgeber/essen-trinken/eiswuerfel-daheim-trueb-bar-durchsichtig-38487614

Danke für eure Rückmeldungen.
Ich werde mal ein kleines Experiment mit geschmolzenem Erytrit machen und euch das Ergebnis hier mal reinstellen. Parallel dazu lasse ich mal Wasser gefrieren um das ganze dann zu vergleichen.

@Dr.Edelfrosch
Hast du die selnst gemacht? Das sieht so ein bisschen aus, wie wenn sich auf der Oberfläche kleine Eiskristalle gebildet haben ähnlich wie bei @Kephalopyr erstem Bild nur in klein. Ich vermute mal die entstehen durch die Luftfeuchtigkeit die am Eiswürfel gefriert. Der Kern müsste allerdings relativ klar sein wenn man die obere Schichten abzieht.

Dr.Edelfrosch schrieb:Irgendwie sehen Eiswürfel in der Realität doch nicht aus wie auf deinem Bild im EP

Es gibt nach aktuellem Stand der Wissenschaft mindestens 19 sogenannte Modifikationen von Wassereis, die sich unter unterschiedlichen Umweltbedingungen bilden können, durch unterschiedliche Kristallstrukturen geprägt sind und unterschiedliche Eigenschaften bzgl. Lichtbrechung, Transparenz, Dichte usw. aufweisen. Die englische Wikipedia hat eine Liste:

Wikipedia: Ice#Phases

SagittariusB schrieb:Dabei ist mir aufgefallen, dass eigentlich alle diese Flüssigkeiten zu einer Milchig trüben kristallinen Masse erstarren, was vermutlich an an den vielen Korngrenzen liegen dürfte die sich beim Erstarren bilden.

Ich würde als Hobbyphysiker erstmal 2 Sachen unterscheiden:

1. Ist der Stoff an sich transparent oder nicht und
2. Bildet sich eine glatte Oberfläche ( Stichwort Brechung )

Einfaches Transparentes Glas war auch mal flüssig und zB normales Milchglas unterscheidet sich nur durch die Oberfläche vom transparenten Glas.

Wassereis hat nunmal die gute Eigenschaft zu schmelzen und dann eine glatte Oberfläche zu bilden.

Und dann ergeben sich wohl viele differenzierte "Punkte"

Wasser gefriert im Normalfall nicht klar. Erst wenn die im Wasser gelösten Gase austreten können, gefriert Wasser klar. Dafür gibt es verschiedene Möglichkeiten hier sind einige aufgeführt
https://de.wikihow.com/Klare-Eisw%C3%BCrfel-machen

SagittariusB schrieb:und zwar hatte ich in meiner Laufbahn als Hobbychemiker und Physiker schon mit vielen unterschiedlichen Flüssigkeiten zu tun gehabt. Dabei ist mir aufgefallen, dass eigentlich alle diese Flüssigkeiten zu einer Milchig trüben kristallinen Masse erstarren

Wasser bildet Kristalle, die gut lichtdurchlässig sind, weils so einfach aufgebaut ist. Die Moleküle der anderen Flüssigkeiten sind viel zu sperrig.. Die anderen transparenten Stoffe wie Glas, Quarzkristalle oder Plexiglas (und die auch kristallartige lichtdurchlässige Strukturen bilden) haben viel höhere Schmelzpunkte. Die Frage ist eher warum hat das Eis einen so niedrigen Schmelzpunkt, was wohl an der schwachen Wasserstoffbrückenbindung liegt

Ganz so einfach lässt sich die Frage nicht beantworten. Kristallisation ist ein komplexer Vorgang, der auch noch nicht vollständig verstanden ist.

Die weiße Farbe ensteht bei den Materialien durch Lichtstreuung an Grenzflächen. Grenzflächen bekommst du durch Einschlüsse von Fremdstoffen (bei Wasser ist z.B. sehr of Luft eingeschlossen und das Eis dadurch trüb) oder wenn das Material aus vielen einzelnen Kristallen besteht, also Polykristallin ist. Einkristalle und amorphe Stoffe sind hingegen transparent.

Wenn man sich die Struktur der Palmitinsäure ansieht, dann sieht man, dass die einen sehr langen Alkylrest hat. Ein solcher unverzweigter Alkylrest kann zwar gut lokal kristallisieren, aber ein geordnetes Kristallgitter wirst du damit nicht hinbekommen -> das Material wird aus vielen kleinen Kristallen bestehen -> trüb.

Tert Butanol hat mit dem tertbutyl-Rest auch einen voluminösen, schlecht kristallisierbaren Rest.

Essigsäure ist in Vergleich dazu recht klein. Da könnte es vielleicht an den Kristallisationsbedingungen oder an Verunreinigungen liegen, müsste man sich genauer ansehen.

Wasser ist hingegen ein sehr kleines Molekül. Dadurch können sich Wassermoleküle sehr gut während der Kristallistation am Kristallgitter ausrichten. Außerdem liegt Wasser aufgrund der starken Wasserstoffbrückenbindungen bereits im flüssigen Zustand in einer eisartigen Struktur vor (Deswegen hat Wasser auch seine größte Dichte bei 4 °C und löst auch z.B. Gase mit steigender Temperatur schlechter).

Wie mein Vorredner schon schrieb, ist Kristallisation ein komplexer Vorgang.
Ich möchte im Zusammenhang mit unterschiedlichen Kristallstrukturen der gleichen Verbindung den Begriff des Polymorphs in den Raum werfen.

Im übrigen können auch Kristalle von recht großen Molekülen bis hin zu Proteinen prinzipiell transparent sein. Interessant ist bei Kristallen auch die mögliche anisotropie, d.h. die Eigenschaften des Kristalls wie z.B. auch Lichtdurchlässigkeit/Transparenz können in den Raumrichtungen verschieden sein.

Hallo Leute,

wie angekündigt hab ich dazu ein kleines Experiment gewagt und das ist das Ergebnis.
Zu den Vorbereitungen: In einer Metallschüssel die außenrum mit etwas feinem Sand isoliert war kam eine kleine Menge Erythrit. Alles zusammen Erhitzte ich das ganze auf etwas über 120 Grad bis das Erythrit schmolz. Am Ende kam noch ein Isolierender Deckel drauf so das dass ganze langsam über Stunden abkühlen konnte.

Parallel dazu ließ ich Destilliertes Wasser abkochen, um das dann über Nacht im Gefrierfach abkühlen zu lassen.


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Die hohe Schmelzenthalpie (die Höchste unter den Zuckeralkoholen) die es als Wärmespeicher interessant machen zeugt von einer sehr günstigen und sehr stabilen Kristallstruktur.
Deshalb und weil ich grad noch einiges daheim davon Rumfliegen hatte, hab ich mich für diesen Stoff entschieden.

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Hier im fertig ausgekühltem Zustand. Die Kristalle an der Oberfläche sehen schon cool aus.

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Hier der Vergleich mit dem Wasser aus dem Gefrierfach. Der Unterschied ist deutlich zu erkennen.

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@SagittariusB
Interresant wäre da jetzt ein Video vom gesamten Kristallisationsprozess.

Erstmal danke für eure rege Anteilnahme. Hier kamen ja schon einige gute Antworten die mir weiter geholfen haben.

@abbacbbc

abbacbbc schrieb am 15.09.2023:Wassereis hat nunmal die gute Eigenschaft zu schmelzen und dann eine glatte Oberfläche zu bilden.

Im Zweifelsfall kann man ja die gefrorene Masse durchtrennen und sich das Innenleben angucken. Oder die Oberfläche anlösen z.B. mit warmen Wasser oder anderen Lösemitteln.

@Chemik
@levifan

Danke. Das klingt interessant.
Mir ist eben eingefallen das vielleicht auch die Dichteanomalie mit eine Rolle spielen könnte, da Wasser sich ja ausdehnt und so Grenzflächen eher "geschlossen" werden ?

@Chemik

Ab und zu hab ich mal reingeguckt da sind vom Rand schöne Kristalle langsam nach innen gewachsen.
Vielleicht mach ich irgendwann später mal ein Zeitraffervideo davon.

@parabol

Wobei Gläser ja nochmal ein anderes Thema wären, da gibt es ja keine Grenzflächen die man sehen könnte.
So weit ich weiß kann Wasser auch als Glas erstarren, dazu brauchts dann aber besondere Bedingungen, die sich hier nicht so leicht darstellen lassen.

Nachtrag:

Hier eine größere Menge Erythrit diesmal über Stunden hinweg langsam abgekühlt in einer gut Isolierten Thermobox.

Man erkennt unten schön die Kristalle, die sich an der Oberfläche Gebildet haben. Trotzdem ist auch hier das Erythrit undurchsichtig geblieben.

Als ich das ganze nach einem Tag rausgeholt habe war ich überrascht wie warm das noch war. Hab mir beinahe die Finger verbrannt an dem Zeug. Ein guter Wärmespeicher ist es allemal.


Hier ein Bild:

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