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Naturwissenschaftliche Rundschau. 



No. 28. 



H. M. Vernon: Ueber das Dichte-Maximum des 

 Wassers. (Philosophical Magazine 1891, Ser. 5, Vol. 

 XXXI, p. 387.) 



Obschon die Thatsache, däss das Wasser sich beim 

 Erwärmen nicht regelmässig ausdehnt, sondern bei etwa 

 4°C. ein Dichte-Maximum besitzt, schon lange allgemein 

 bekannt ist, scheint noch keine Erklärung dieser Ano- 

 malie, welche eine so hervorragende Bedeutung in der 

 Natur besitzt, aufgestellt zu sein. Herr Vernon hat 

 einige Versuche angestellt, welche eine Deutung der 

 Thatsache gestatten. 



Wenn man sich die unregelmässige Ausdehnung 

 des Wassers überlegt, wird man zu der Einsicht 

 kommen, dass die Wassermolecüle bei etwa 4"C. ihre 

 gegenseitige Lage zu einander in einer Weise ändern, 

 dass ihre Dichte eine ganz andere wird. Hiernach ist 

 es wahrscheinlich, dass bei dieser Temperatur auch 

 irgend eine Wärmeänderung vor sich geht; und wenn 

 ein Volumen Wasser erwärmt und der Abkühlung über- 

 lassen wird , ohne dass die äussere Temperatur eine 

 Schwankung erleidet, so muss, wenn eine derartige 

 Wärmeänderung bei 4 C. auftritt, die Abkühlungs- 

 geschwindigkeit des Wassers bei diesem Punkte eine 

 Unregelmässigkeit zeigen. Dies hat Herr Vernon einer 

 experimentellen Prüfung unterzogen, indem er Versuche 

 über die Abkühlungsgeechwiudigkeit des Wassers zwi- 

 schen 30° und Ü C. ausführte. 



Destillirtes Wasser, dessen Volumen in den einzelnen 

 Versuchen zwischen 30 cm 3 und GO cm 3 variirte , wurde 

 in eine Glasilasche gebracht, welche innerhalb eines 

 grossen Bechers schwebte, der von einer Kälternischung 

 aus Eis und Salz umgeben war. Das die Kältemischung 

 enthaltende Gefäss und der Becher waren gut bedeckt, 

 und man überzeugte sich, dass die Temperatur während 

 des ganzen Versuches coustant war. Die Messungen 

 wurden mit einem in Zehntel-Grade getheilten Thermo- 

 meter gemacht, dessen Stand mit einem Kathetometer 

 bis auf ein Hundertel Grad genau abgelesen werden 

 konnte. Das Wasser wurde auf 30° erwärmt, und dann 

 das Thermometer jede Minute abgelesen, bis die Tempe- 

 ratur — 3° erreicht hatte und Eis sich zu bilden begann. 



Die in Curven dargestellten Versuchsergebnisse 

 zeigen, dass die Abkühlung bis etwa 14° ganz regel- 

 mässig verlief, von da an erfolgte sie ein wenig lang- 

 samer, als der Fall sein würde, wenn keine innere Wärme- 

 änderung stattlinden würde; dann wurde sie weiter 

 immer weniger und weniger schnell, bis sie von etwa 

 5,5° biB 4,7° fast ganz stillstand. Bei 4,7° C. begann 

 sie dann wieder schnell zu sinken bis etwa 3"C. , von 

 wo an die Curve der Abkühlung wieder regelmässig 

 wurde. 



Das Dichte-Maximum des Wassers ist nun gefunden 

 worden: bei 4,07° (Rosetti), bei 4,1" (Hällstrom), bei 

 4,08° (Kopp) und bei 4°(Depretz), während in den 

 vorstehenden Versuchen die Unregelmässigkeit der Ab- 

 kühlungscurve bei 4,7" C. liegt, Ein Fehler der Beob- 

 achtung lag nicht vor, denn dieser Werth wurde bei 

 wiederholten Bestimmungen gefunden, in einem Control- 

 versuche mit Oel zeigte sich der Verlauf der Abkühlung 

 ganz regelmässig. 



Herr Vernon macht nun darauf aufmerksam , dass 

 in den Versuchen das Wasser nicht umgerührt worden 

 war. In Folge dessen kühlten sich die äusseren 

 Schichten des Wassers in der Flasche in erster Reihe 

 ab, und die Wirkungen dieser Abkühlung erreichten die 

 inneren Schichten und die Thermometerkugel nur durch 

 Convectionsströme in Folge der Dichteänderungen. Die 

 inneren Schichten haben daher stets eine etwas höhere 

 Temperatur gehabt als die äussern. Wenn diese auf 4° 



abgekühlt waren und ihre Dichte nicht weiter wuchs 

 bei weiterem Sinken der Temperatur, dann hörten die 

 Convectionsströme auf, und bei einer etwas niedrigeren 

 Temperatur, wenn die Dichte abuahm, begannen sie in 

 entgegengesetzter Richtung. Dies erklärt die plötzliche 

 Pause in der Curve der Abkühlungsgeschwindigkeit, 

 und warum unmittelbar danach die Temperatur schnell 

 ein bis zwei Grad sank und dann weniger schnell. 



Es wurden nun Versuche angestellt über das Ab- 

 kühlen von umgerührtem Wasser. Ein Rührer bewegte 

 sich im Wasser regelmässig in Intervallen von etwa 

 vier Secuuden auf und nieder während der ganzen Zeit 

 der Abkühlung, und die Temperaturen wurden wie 

 früher abgelesen. Die Curve der Abkühlung verlief 

 bis etwa 14" ganz regelmässig, dann entfernte sie Bich 

 von der Lage, die sie haben würde, wenn die Aliküh- 

 lung weiter regelmässig verliefe; aber eine plötzliche 

 Aeuderung der Curve trat nicht auf. Die Abweichung 

 vom normalen Verlauf scheint bei etwa 4° am grössten 

 zu sein, doch war dies nur sehr leicht angedeutet. Diese 

 Abweichung war ein Beweis und ein Maass für die 

 Wärmeentwickelung beim Abkühlen des Wassers. Sie 

 zeigt ferner, dass die speeifische Wärme des Wassers 

 zwischen den Temperaturen 12" und 0" um etwa 3 l'roc. 

 grösser ist als sonst, dass sie also bei den Temperaturen 

 in der Nähe des Dichtemaximums wächst. 



Wenn man Rosctti's Dichte- Messungen in einer 

 Curve darstellt, so sieht man, dass die Dichte bis 10" 

 regelmässig zunimmt bei abnehmender Temperatur. Von 

 da au weiter abwärts beginnt die Geschwindigkeit der 

 Dichtigkeitszunahme allmälig kleiner zu werden , sie 

 wird immer kleiner und kleiner und bei 4,07" hört sie 

 auf. Von diesem Punkt an begiuut die Dichte all- 

 mälig abzunehmen. „Wäre die Ausdehnung eine regel- 

 mässige, dann würde die Dichte des Wassers bei 4" viel 

 grösser sein, als sie wirklich ist; das beisst, die Dichte 

 des Wassers in dem Zustande der Moleoulargruppirnng, 

 die es bei 4" C. besitzt, ist bedeutend geringer, als sie 

 sein würde, wenn die Ausdehnung eiue regelmässige 

 wäre und keine Molecularänderung stattgefunden hätte. 

 Dies kann erklären, warum Wasser unter 4" an Dichte 

 abzunehmen beginnt," 



Die mit Wärmeentwickelung einhergehende Aeude- 

 rung der Dichte kann nach Herr Vernon nur durch 

 Zusammentritt von Wassermolecüleu zu complicirteren 

 Moleeülen erklärt werdeu. Das Zusammentreten be- 

 giuut bei 14", die Zahl der combinirten Molecüle wird 

 immer grösser gegen die nicht aggregirten und daher 

 wirkt die geringere Dichte der aggregirten Molecüle bei 

 4° der grösseren Dichte der nicht aggregirten entgegen ; 

 und wenn die Zahl der nicht aggregirten Molecüle beim 

 weiteren Abkühlen noch kleiner wird, nimmt die Dichte 

 sogar ab, anstatt zu wachsen. Hieraus würde sich er- 

 geben, dass die gewöhnlichen Wassermolecüle die grösste 

 Dichte haben , die aggregirten Molecüle eine geringere 

 Dichte und Eis, welches die Molecüle in einem noch 

 grösseren Aggregatiunszustande enthalten muss, hat die 

 geringste Dichte. 



Die in den obigen Versuchen durch die Wärmeent- 

 wickelung erwiesene Zunahme der specitischen Wärme 

 bei 4" C. stimmt überein mit den zahlreichen Beobach- 

 tungen früherer Forseher über die specitische Wärme 

 des Wassers bei dieser Temperatur und über die 

 latente W r ärme beim Schmelzen des Eises. Sie bestätigen 

 daher die beim Abkühlen gewonnenen Resultate, und 

 es kann somit kein Zweifel mehr darüber herrschen, 

 dass bei 4"C. eine moleculare Aeuderung im 

 Wasser vor sich gebt. 



