Gehen wir nun mal davon aus, das Wasser bei Temperaturen unter 0°C fest ist, und darüber flüssig. Im festen Zustand ist jedes Wassermolekül tetraedisch von vier weiteren Wassermolekülen umgeben, da die Wasserstoffbrückenbindungen ( ) tetraedisch vom Wassermolekül "wegzeigen". Das führt dazu, dass sich folgende Struktur im festen Wasser ausbildet: Hierbei habe ich die Wassermoleküle als Kreise dargestellt und die Wasserstoffbrückenbindungen als Striche, Oben links sieht man die Bindung zweier "Ebenen", darunter die Bindungen in einer Ebene, es entsteht also ein dreidimensionales, regelmäßiges Gitter (welches ich aber nicht gescheit zeichnen kann, darum die beiden Behelfsskizzen), an dieser Stelle ist das Gitter erstmal nur rein geometrisch betrachtet die stabilste Form, weil die Bindungen eben nur in die Tetraederrichtungen zeigen können. Der Abstand der Moleküle zueinander ist hier nicht nur durch die Wasserstoffbrückenbindungen bestimmt, sondern auch durch die Abstoßung der Elektronen der Atome. Steigt die Temperatur nun gleichmäßig in diesem Kristall an, verhält er sich erstmal wie jeder Feststoff und dehnt sich aus, das Volumen nimmt zu (roter Graph), bei 0°C wird das Wasser nun flüssig, der Kristall bricht auf, die Wassermoleküle sind nicht mehr regelmäßig von weiteren Umgeben, sondern befinden sich in einem losen Verbund, in dem sich immer wieder mehrere Moleküle zueinander ausrichten und so Molekülhaufen bildet, in dem sich wieder kurzzeitig Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden. Durch das Aufbrechen der Kristallstruktur und die höhere kinetische Energier der Moleküle (Brownsche Molekülbewegung) können die Abstoßungskräfte, die noch im Kristall wirkten, überwunden werden, die Moleküle können sich stärker annähern, das Volumen ( roter Graph) hat hier ein Minimum. Vereinfacht dargestellt kann man sagen, dass zwar die Abstoßungen der Elektronen noch leicht wirken aber gleichzeitg die Wasserstoffbrückenbindungen von ähnlicher Größenordnung sind, sodass es hier zu einem "Kampf" der beiden Wechselwirkungen kommt. Auf der einen Seite ist die Brownsche Molekülbewegung ausreichend groß, um die Kristallstruktur aufzubrechen, auf der anderen Seite aber noch nicht groß genug, um die Wasserstoffbrückenbindungen vollständig zu überwinden, aber gleichzeitig schon so groß, um die Elektronenabstoßung zu überwinden. Nimmt die Temperatur noch weiter zu, überwiegt die Brownsche Molekülbewegung, Wasser dehnt sich weiter aus, das Volumen nimmt weiter zu, die Dichte nimmt entsprechend weiter ab. Die Dichte ist ja proportional zum reziproken Volumen, d.h. Volumen [m³] ~ [1/m³], der Volumengraph hat also an der Stelle an Minimum, an dem der Dichtegraph ein Maximum hat. Die Dichteanomalie liegt eigentlich nur zwischen 0 und 4°C vor, lässt man diesen Bereich außer Acht, verhält sich Wasser relativ normal, es geht nur darum, dass die Dichte von 0 bis 4°C noch mal ansteigt, was eben auf den Wasserstoffbrückenbindungen beruht, die die Wassermoleküle in dem Temperaturbereich noch mal leicht und vorallem nur kurzzeitig aneinerander bindet. Gruß, Ralf