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Lexikon der Geowissenschaften: gefrieren

gefrieren, Gefriervorgang, Übergang einer Flüssigkeit in den festen Aggregatzustand, z.B. der Übergang von Wasser zu Eis. Gefrieren ist der Umkehrprozeß des Schmelzens. Die Temperatur, bei der Übergang von flüssig zu fest stattfindet, ist der Gefrierpunkt. Durch die Umstrukturierung des Molekülverbands, beispielsweise von Wasser, in die hexagonalen Struktur der Eiskristalle, wird Gefrierwärme freigesetzt (bei Wasser: 340 J/g Wasser) und an die kältere Umgebung abgegeben, und zwar solange bis der Gefrierprozeß abgeschlossen ist. Dadurch bleibt die Temperatur des gefrierenden Wassers während des Gefriervorganges konstant. Bei natürlichem Wasser und Normalluftdruck liegt der Gefrierpunkt bei 0°C. Er sinkt zum einen mit zunehmendem Druck, zum anderen für eine wässerige Lösung proportional zur molaren Konzentration, aber unabhängig von der Art des gelösten Stoffes (Gefrierpunkterniedrigung).

Die kristalline Struktur des Eises verursacht eine Volumenzunahme um ca. 9% auf das spezifische Volumen von Eis (1,09051 cm3/g) und eine entsprechende Dichteabnahme (0,9168 g/cm3). Der Wert der Gefrierenthalpie (Enthalpie) ist 6,12 kJ/mol. Lösungen führen zur Erniedrigung des Gefrierpunktes um ΔTg, die sich mit dem Gesetz von Raoult (Raoultschen Gesetz) beschreiben lassen:



wobei m die Masse des gelösten Stoffes und M das Molekulargewicht des gelösten Stoffes darstellt. Die Konstante Ag ist vom Lösungsmittel abhängig und beträgt für Wasser 1680°C/mol. Bei der Kältemischung von drei Teilen Wasser und einem Teil Kochsalz (Natriumchlorid, NaCl) beträgt die Gefrierpunktserniedrigung 22°C. Für NaCl gilt allgemein ΔT = 3,4°C für 58 g NaCl pro Liter Wasser.

Das Gefrieren ist zumeist ein heterogener Prozeß und erfordert zur Auslösung geeignete Eiskeime oder Oberflächen. Bei unterkühltem Wasser bis -40°C, insbesondere in Wolken, ist der Gefrierprozeß gehemmt, kann aber spontan ausgelöst werden. Bei -40°C erfolgt homogenes Gefrieren. Darunter wird kein flüssiges Wasser beobachtet. In Lösungen ist das Einsetzen des homogenen Gefrierens zu tieferen Temperaturen hin verschoben. Wasser, chemische und physikalische Eigenschaften, Eisbildung, Eisdruck, Eislinsenbildung, Frostsprengung, Wasserkreislauf.

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