Eis

Schneeflocken von Wilson Bentley, 1902

Eis ist ein Oxidklasse Mineral auf die sich eine der 14 bekannten festen Wasserphasen bezieht. In nichtwissenschaftlichen Kontexten beschreibt es jedoch normalerweise Eis I _h , die die häufigste dieser Phasen in ist Erde Biosphäre . Diese Art von Eis ist ein weiches, zartes, kristallin fest, der transparent oder opak bläulich-weiß erscheinen kann Farbe je nach Anwesenheit von Verunreinigungen wie z Luft . Die Zugabe von anderen Materialien wie z Boden kann das Aussehen weiter verändern. Der häufigste Phasenübergang zu Eis I _h tritt auf, wenn flüssiges Wasser bei normalem atmosphärischem Druck unter 0 °C (273,15 K, 32 °F) abgekühlt wird. Es kann sich jedoch auch aus einem Dampf ohne dazwischenliegende flüssige Phase abscheiden, wie beispielsweise bei der Reifbildung. Eis erscheint in verschiedenen Formen wie Hagel, Eiswürfel und Gletscher . Sie spielt bei vielen meteorologischen Phänomenen eine wichtige Rolle. Die Eiskappen der Polarregionen sind von Bedeutung für die globales Klima und besonders der Wasserkreislauf.

Eigenschaften

Ein ungewöhnliches Merkmal von Eis, das bei einem Druck von einer Atmosphäre gefroren ist, besteht darin, dass der Feststoff etwa 8 % weniger dicht ist als flüssiges Wasser. Wasser ist auch eine der wenigen Substanzen, die sich beim Gefrieren ausdehnt. Eis hat bei 0 °C eine Dichte von 0,917 g/cm³, während Wasser bei gleicher Temperatur eine Dichte von 0,9998 g/cm³ hat. Flüssiges Wasser ist am dichtesten, im Wesentlichen 1,00 g/cm³, bei 4 °C und wird weniger dicht, wenn die Wassermoleküle beginnen, das Sechseck zu bilden Kristalle von Eis wenn die Temperatur auf 0 °C sinkt. (Tatsächlich leitet sich das Wort „Kristall“ vom griechischen Wort für Frost ab.) Dies ist auf Wasserstoffbrückenbindungen zurückzuführen, die sich zwischen den Wassermolekülen bilden, die Moleküle weniger effizient (in Bezug auf das Volumen) ausrichten, wenn Wasser gefroren ist. Das Ergebnis davon ist, dass Eis auf flüssigem Wasser schwimmt, ein wichtiger Faktor auf der Erde Klima . Die Dichte von Eis nimmt mit abnehmender Temperatur leicht zu (Dichte von Eis bei −180 °C (93 K) beträgt 0,9340 g/cm³).

Wenn Eis schmilzt, nimmt es so viel Wärme auf Energie (die Schmelzwärme), die benötigt wird, um eine äquivalente Masse Wasser um 80 °C zu erhitzen, während seine Temperatur konstant 0 °C bleibt.

Es ist theoretisch auch möglich, Eis über seinen Gleichgewichtsschmelzpunkt hinaus zu überhitzen. Simulationen von ultraschnellen Laserpulsen, die auf Eis einwirken, zeigen, dass es für einen extrem kurzen Zeitraum (250 ps) auf Raumtemperatur erhitzt werden kann, ohne dass es schmilzt. Es ist möglich, dass das Innere eines Eiskristalls einen Schmelzpunkt über 0 °C hat und dass das normale Schmelzen bei 0 °C nur ein Oberflächeneffekt ist.

Als natürlich vorkommender kristalliner Feststoff gilt Eis als a Mineral .

Das kleinste Eis wurde 1999 von Roger Miller und Klaus Nauta an der University of North Carolina geschaffen. Es sind 6 Wassermoleküle, die in einem Sechseck angeordnet sind, theoretisch das kleinste mögliche Eis.

Arten von Eis

Eis bedeckt die Äste eines Baumes. Halb geschmolzener Gletschereisbrocken.

Tägliches Eis und Schnee ist sechseckiges Eis ( Eis I _h ). Unter höheren Drücken und unterschiedlichen Temperaturen kann sich Eis in etwa einem Dutzend verschiedener Phasen bilden. Nur etwas weniger stabil (metastabil) als ich _h ist Eis mit kubischer Struktur ( I _c ). Kühlung I _h bewirkt, dass sich eine andere Anordnung bildet, in der sich die Protonen bewegen, XI.

Sowohl bei Kühlung als auch bei Druck gibt es mehr Arten, die jeweils in Abhängigkeit vom Phasendiagramm von Eis erzeugt werden. Dies sind II, III, V, VI, VII, VIII, IX und X. Mit Sorgfalt können alle diese Typen bei Umgebungsdruck zurückgewonnen werden. Die Typen unterscheiden sich durch ihre kristalline Struktur, Ordnung und Dichte. Es gibt auch zwei metastabile Eisphasen unter Druck, beide vollständig wasserstofffehlgeordnet, dies sind IV und XII. Eis XII wurde 1996 entdeckt. Neben kristallinen Formen kann festes Wasser in amorphen Zuständen als amorphes festes Wasser (ASW), amorphes Eis niedriger Dichte (LDA), amorphes Eis hoher Dichte (HDA), amorphes Eis sehr hoher Dichte (VHDA) existieren ) und hypergequenchtes glasartiges Wasser (HGW).

Raureif ist eine Art Eis, das sich auf kalten Gegenständen bildet, wenn die Feuchtigkeit in der Luft darauf kristallisiert. Dies kann bei Nebel oder nächtlichen Temperaturabfällen beobachtet werden. Es enthält einen hohen Anteil an eingeschlossener Luft, wodurch es eher weiß als durchsichtig erscheint und ihm eine Dichte von etwa einem Viertel der von reinem Eis verleiht.

Aufeis ist geschichtetes Eis, das sich in arktischen und subarktischen Flusstälern bildet. Im Flussbett gefrorenes Eis blockiert den normalen Grundwasserabfluss und führt zu einem Anstieg des lokalen Grundwasserspiegels, was zu einem Wasserabfluss auf der gefrorenen Schicht führt. Dieses Wasser gefriert dann, wodurch der Grundwasserspiegel weiter ansteigt und sich der Zyklus wiederholt. Das Ergebnis ist eine geschichtete Eisschicht, oft mehrere Meter dick.

Es kann sich auch Eis bilden Eiszapfen , ähnlich wie Stalaktiten im Aussehen, wenn Wasser tropft und wieder gefriert.

Clathrathydrate sind Formen von Eis, die Gasmoleküle enthalten, die in ihrem Kristallgitter eingeschlossen sind. Pfannkucheneis ist eine Eisformation, die im Allgemeinen in Gebieten mit weniger ruhigen Bedingungen entsteht.

Einige andere Substanzen (insbesondere feste Formen von denen, die normalerweise als Flüssigkeiten vorkommen) werden auch als 'Eis' bezeichnet: Trockeneis zum Beispiel ist ein beliebter Begriff für fest Kohlendioxid .

Im Weltraum ist hexagonales kristallines Eis, die vorherrschende Form auf der Erde, äußerst selten. Amorphes Eis ist häufiger; Durch vulkanische Einwirkung kann jedoch hexagonales kristallines Eis gebildet werden.

Verwendung von Eis

Eisernte

Eisernte am Lake Saint Clair in Michigan, etwa 1905.

Eis wird seit langem als Kühlmittel geschätzt. Bis vor kurzem nutzte das ungarische Parlamentsgebäude zur Klimatisierung Eis, das im Winter aus dem Plattensee geerntet wurde. Eishäuser wurden verwendet, um im Winter gebildetes Eis zu lagern, um Eis das ganze Jahr über verfügbar zu machen, und frühe Kühlschränke wurden als Eisboxen bezeichnet, weil sie einen Eisblock enthielten. In vielen Städten war es nicht ungewöhnlich, dass es im Sommer einen regelmäßigen Eislieferdienst gab. In der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts war die Eisernte in Amerika zu einem großen Geschäft geworden. Der Neuenglander Frederic Tudor, der als „Eiskönig“ bekannt wurde, arbeitete an der Entwicklung besserer Isolierprodukte für den Transport von Eis über große Entfernungen, insbesondere in die Tropen. Das Aufkommen der künstlichen Kältetechnik hat die Lieferung von Eis inzwischen obsolet gemacht.

Im Jahr 400 v Iran , persisch Ingenieure beherrschten bereits die Technik, mitten im Sommer Eis in der Wüste zu lagern. Das Eis wurde während der Winter in großen Mengen aus den nahe gelegenen Bergen herangeschafft und in speziell entwickelten, natürlich gekühlten Lagern gelagert Kühlschränke , genannt yakhchal (bedeutet Eisspeicher ). Dies war ein großer unterirdischer Raum (bis zu 5000 m³) mit dicken Wänden (mindestens zwei Meter an der Basis) aus einem speziellen Mörtel namens sarooj , bestehend aus Sand, Ton, Eiweiß, Kalk, Ziegenhaar und Asche in bestimmten Anteilen und beständig gegen Wärmeübertragung. Diese Mischung wurde als vollständig wasserundurchlässig angesehen. Der Raum hatte oft Zugang zu einem Qanat und enthielt oft ein System von Windfängern, die die Temperaturen im Raum an Sommertagen leicht auf ein eisiges Niveau bringen konnten. Das Eis wurde dann verwendet, um an heißen Sommertagen Leckereien für Könige zu kühlen.

Sport auf Eis

Eissurfen auf dem kleinen See Żnin

Auch in der Wintererholung spielt Eis eine Rolle, bei Sportarten wie Eislaufen, Tourenlaufen, Eishockey , Eisangeln, Eisklettern, Eisstockschießen und Schlittenrennen auf Bob, Rodel und Skeleton. Eine Art Segelboot auf Klingen führt zum Iceboating.

Das menschliche Streben nach Aufregung hat sogar zu Eisrennen geführt, bei denen die Fahrer auf dem Eis eines Sees rasen müssen und gleichzeitig das Schleudern ihres Fahrzeugs kontrollieren müssen (in gewisser Weise ähnlich wie bei Rennen auf unbefestigten Strecken). Der Sport wurde sogar für Eisbahnen modifiziert.

Eis reisen

Eisbrecher der Küstenwache in der Nähe der McMurdo Station, Februar 2002.

Eis kann auch ein Hindernis sein; Für polnahe Häfen ist Eisfreiheit ein wichtiger Vorteil, idealerweise ganzjährig. Beispiele sind Murmansk (Russland), Petsamo (Russland, ehemals Finnland) und Vardø (Norwegen). Nicht eisfreie Häfen werden mit Eisbrechern erschlossen.

Eisbildung auf Straßen ist eine gefährliche Wintergefahr. Glatteis ist sehr schwer zu erkennen, da ihm die erwartete glänzende Oberfläche fehlt. Immer wenn Eisregen oder Schnee mit einer Temperatur nahe dem Schmelzpunkt auftritt, bildet sich häufig Eis auf den Fenstern von Fahrzeugen. Sicheres Fahren erfordert die Entfernung der Eisbildung. Eiskratzer sind Werkzeuge, die entwickelt wurden, um das Eis zu brechen und die Fenster zu reinigen, obwohl das Entfernen des Eises langwierig und arbeitsintensiv sein kann.

Weit genug unter dem Gefrierpunkt kann sich auf der Innenseite von Fenstern eine dünne Schicht aus Eiskristallen bilden. Dies passiert normalerweise, wenn ein Fahrzeug nach einer Weile alleine gelassen wurde, kann aber auch während der Fahrt passieren, wenn die Außentemperatur niedrig genug ist. Feuchtigkeit aus dem Atem des Fahrers ist die Wasserquelle für die Kristalle. Es ist mühsam, diese Form von Eis zu entfernen, daher öffnen die Leute oft ihre Fenster leicht, wenn das Fahrzeug geparkt ist, um die Feuchtigkeit abführen zu lassen, und es ist jetzt üblich, dass Autos Heckscheibenentfroster haben, um das Problem zu bekämpfen. Ein ähnliches Problem kann in Häusern auftreten, was einer der Gründe ist, warum viele kältere Regionen Doppelglasfenster zur Isolierung benötigen.

Wenn die Außentemperatur längere Zeit unter dem Gefrierpunkt bleibt, können sich auf Seen und anderen Gewässern sehr dicke Eisschichten bilden (obwohl Orte mit fließendem Wasser viel kältere Temperaturen erfordern). Das Eis kann dick genug werden, um darauf zu fahren Autos und Lastwagen. Um dies sicher zu tun, ist eine Dicke von mindestens 30 Zentimetern (ein Fuß) erforderlich.

Andere Verwendungen von Eis

• Bei Getränken ist die Herstellung und Verwendung von Eiswürfeln oder Crushed Ice üblich.
• Pagophagie, eine Art Pica-Essstörung, ist der zwanghafte Verzehr von Eis.
• Strukturen und Eisskulpturen werden aus großen Eisbrocken gebaut. Die Strukturen sind meist dekorativ (wie im Fall von Eisburgen) und nicht für eine langfristige Besiedlung geeignet. In einigen kalten Gebieten gibt es saisonal Eishotels. Iglus sind ein weiteres Beispiel für eine temporäre Struktur, die hauptsächlich aus Schnee besteht.
• Es ist möglich, jemanden mit einem Eiszapfen zu erstechen. Dies kann die Ermittler verwirren, da es nach dem Schmelzen des Eiszapfens keine offensichtliche Mordwaffe mehr geben wird. Ein großer Eisklumpen kann verwendet werden, um ein stumpfes Gewalttrauma in einer ähnlichen Vene zu verursachen.

• Während des Zweiten Weltkriegs war das Projekt Habbakuk ein britisches Programm, das die Verwendung von Pykrete (mit Eis vermischte Holzfasern) als mögliches Material für Kriegsschiffe, insbesondere Flugzeugträger, untersuchte, da mit der Leichtigkeit ein großes Deck gebaut werden konnte, aber die Idee wurde aufgegeben, als die Mittel für den Bau eines Prototyps nicht ausreichten.

Eis mit unterschiedlichem Druck

Die meisten Flüssigkeiten gefrieren bei einer höheren Temperatur unter Druck, weil der Druck hilft, die Moleküle zusammenzuhalten. Die starken Wasserstoffbrückenbindungen im Wasser machen es jedoch anders: Wasser gefriert bei einer Temperatur unter 0 °C bei einem Druck von mehr als 1 atm. Folglich bleibt Wasser auch bei einer Temperatur über 0 °C unter einem Druck von weniger als 1 atm gefroren. Es wird angenommen, dass das Schmelzen von Eis unter hohem Druck dazu beiträgt Gletscher Bewegung. Unter hohem Druck gebildetes Eis hat eine andere Kristallstruktur und Dichte als gewöhnliches Eis. Eis, Wasser und Wasserdampf können am Tripelpunkt koexistieren, der bei 273,16 K bei einem Druck von 611,73 Pa liegt.

Eisphasen

Phase	Eigenschaften
Amorphes Eis	Amorphes Eis ist ein Eis ohne Kristallstruktur. Amorphes Eis existiert in drei Formen: Low Density (LDA), gebildet bei atmosphärischem Druck oder darunter, High Density (HDA) und Very High Density Amorphous Ice (VHDA), das sich bei höheren Drücken bildet. LDA entsteht durch extrem schnelles Abkühlen von flüssigem Wasser („hyperquenched glassy water“, HGW), durch Abscheidung von Wasserdampf auf sehr kalten Substraten („amorphous solid water“, ASW) oder durch Erhitzen von Eisformen hoher Dichte bei Umgebungsdruck („LDA ').
Eis Ih	Normales sechseckiges kristallines Eis. Praktisch alles Eis in der Biosphäre ist Eis I h , mit Ausnahme nur einer kleinen Menge Eis I c .
Eis-Ic	Metastabile kubisch-kristalline Variante von Eis. Die Sauerstoffatome sind in einer Diamantstruktur angeordnet. Es entsteht bei Temperaturen zwischen 130-150 K und ist bis 200 K stabil, wenn es sich in Eis I umwandelt h . Es ist gelegentlich in der oberen Atmosphäre vorhanden.
Eis II	Eine rhomboedrische Kristallform mit hochgeordneter Struktur. Gebildet aus Eis I h durch Komprimieren bei einer Temperatur von 190-210 K. Beim Erhitzen verwandelt es sich in Eis III.
Eis III	Ein tetragonales kristallines Eis, gebildet durch Abkühlen von Wasser auf 250 K bei 300 MPa. Am wenigsten dicht unter den Hochdruckphasen. Dichter als Wasser.
Eis IV	Metastabile rhomboedrische Phase. Bildet sich ohne Nukleierungsmittel nicht leicht.
Eis v	Eine monokline kristalline Phase. Durch Kühlwasser auf 253 K bei 500 MPa gebildet. Komplizierteste Struktur aller Phasen.
Eis VI	Eine tetragonale kristalline Phase. Wird durch Kühlwasser auf 270 K bei 1,1 GPa gebildet. Zeigt Debye-Entspannung.
Eis VII	Eine kubische Phase. Die Lage der Wasserstoffatome ist ungeordnet, das Material zeigt eine Debye-Relaxation. Die Wasserstoffbrückenbindungen bilden zwei sich durchdringende Gitter.
Eis VIII	Eine geordnetere Version von Eis VII, bei der die Wasserstoffatome feste Positionen einnehmen. Gebildet aus Eis VII durch Abkühlung über 5 °C.
Eis IX	Eine tetragonale metastabile Phase. Allmählich aus Eis III gebildet durch Abkühlen von –65 auf –108 °C, stabil unter 140 K und Drücken zwischen 200 und 400 MPa. Es hat eine Dichte von 1,16 g/cm³, etwas höher als gewöhnliches Eis.
Eis X	Protonengeordnetes symmetrisches Eis. Bildet sich bei etwa 40-45 GPa. Eine Umwandlung von Eis VII zu Eis X bei 70 GPa wird vorhergesagt.
Eis XI	Eine orthorhombische Niedertemperatur-Gleichgewichtsform von hexagonalem Eis. Es ist ferroelektrisch.
Eis XII	Eine tetragonale metastabile dichte kristalline Phase. Es ist im Phasenraum von Eis V und Eis VI metastabil. Es kann durch Erhitzen von amorphem Eis hoher Dichte von 77 K auf etwa 183 K bei 810 MPa hergestellt werden.

Eis in der Fiktion

Roman von Kurt Vonnegut Katzenwiege zeigt Ice IX als zentrales Element der Handlung, obwohl echtes Ice IX nicht die Eigenschaften von Vonneguts fiktivem Ice-Nine hat (dh die Fähigkeit, alles Wasser auf der Erde mit der Einführung eines Granulats einzufrieren).

Verwandte Begriffe

• Ein Rustikal ist ein Rostgebilde ähnlich einem Eiszapfen.
• Isaz ist die protogermanische Rune für „Eis“.

Galerie

Reihe von Eiszapfen	Ein natürlicher, 4 Tonnen schwerer Eisblock an einem Strand in Island	Ein Glas Eiswasser.	Eis auf einem Zaun, im Winter gefroren.
Eiszapfen bilden sich auf dem Dach einer Hütte in Dinner Plain Australien .	Eiszapfen im Skigebiet Big White, Kanada .	Ein altes Eishaus (yakhchal) in Kerman, Iran , gebaut während der Mittelalter zur Aufbewahrung von geerntetem Eis.	Eiszapfen, die sich in allen Winkeln durch Wasserspritzer und windgeblasene Gischt gebildet haben. Ein Hügel, Harlech, Wales