Eis ist der dritte Aggregatzustand und damit die feste Phase von Wasser. Flüssiges reines Wasser erstarrt zu Eis bei einer Temperatur unter dem Gefrierpunkt, der bei Normaldruck in Anwesenheit von Kristallisationskeimen bei 0 °C liegt. Als natürlich vorkommender kristalliner Festkörper mit einer definierten chemischen Zusammensetzung zählt Eis zu den Mineralen. Aufgrund seiner chemischen Struktur H2O gehört Eis zur Stoffgruppe der Oxide.
Unter atmosphärischen Bedingungen kristallisiert Eis im hexagonalen Kristallsystem und tritt in der Natur in verschiedenen Erscheinungsformen auf: von Schneeflocken, Graupel- und Hagelkörnern, Reif und Raureif über Raueis und Klareis, Eiszapfen und Eisblumen, Kammeis und Haareis, Firn und Nilas, Eisdecken stehender und fließender Gewässer, Grundeis, Treibeis, Packeis, Meereis, Festeis, Schelfeis bis zu Gletschern, Eiskappen und Eisschilden.
Unter höheren Drücken und tieferen Temperaturen ändert Eis seine Kristallstruktur, und es können je nach Umweltbedingung verschiedene kristalline Modifikationen entstehen. Auch von Eis ohne Kristallstruktur – sogenanntes amorphes Eis – sind mehrere Modifikationen bekannt (siehe auch Abschnitt Modifikationen).
Die Dichte von hexagonalem, gewöhnlichem Eis ist mit 0,918 g/cm³ (reines, luftfreies Eis-Ih bei 0 °C) geringer als die von flüssigem Wasser, was auch Dichteanomalie des Wassers genannt wird. Auf Grund dessen schwimmt Eis auf der Wasseroberfläche und bildet dort Eisdecken, Eisschollen und Eisberge.
In reiner Form besteht Eis aus farblosen, transparenten Kristallen. Wenn bei der Bildung der Eiskristalle feine Luftbläschen in Eisblöcke eingeschlossen wurden, erscheinen diese durch vielfache Lichtbrechung weißlich. Eis besteht als chemischer Stoff aus H2O und zeichnet sich durch eine Reihe besonderer Eigenschaften des Wassers aus.
Bei zahlreichen meteorologischen Phänomenen spielt Eis eine wesentliche Rolle. Polare Eiskappen und Vergletscherungen von Polarregionen mit Ausbildung von Eisschilden haben entscheidenden Einfluss auf das Klima des Planeten Erde. Dauerhafte Eisbedeckungen in der Polarregion kennzeichnen ein Eiszeitalter. Die im Eis gebundene Wassermenge ist ein wichtiger Speicher im globalen Wasserkreislauf; sie beeinflusst auch die Zugänglichkeit von verschiedenen Regionen als Lebensräumen. Als die feste Form von Wasser ist Eis von besonderer Bedeutung für unsere Biosphäre.
Die Wissenschaft von Formen, Auftreten und Eigenschaften von Eis und Schnee ist die Glaziologie.
Etymologie und Geschichte Die Wortherkunft (Etymologie) von Eis lässt sich über das althochdeutsche, mittelhochdeutsche und niederdeutsche îs bis zum urgermanischen *īsą zurückverfolgen. Durch Diphthongierung (Lautwandel von einem zu zwei Vokalen) wurde aus diesem Urwort unter anderem das deutsche Eis und das englische ice.
Als eigenständige Mineralart taucht Eis allerdings erst Anfang des 19. Jahrhunderts auf. Zuvor galt es mit Schnee und Hagel als Wasser und somit seit der Antike gemäß der Vier-Elemente-Lehre neben Feuer, Luft und Erde als eines der vier Grundelemente; selbst in den Systematiken von Abraham Gottlob Werner wird Eis bis zur letzten Auflage 1817 nicht aufgeführt (1. Auflage 1787).
Erst Friedrich Hausmann beschreibt Wasser beziehungsweise dessen verschiedenen festen Formen (Varietäten) in seinem Handbuch der Mineralogie von 1813 als Mineral, eingereiht in die zweite Klasse der „Inkombustibilien“ (unentzündlich) und der zweiten Ordnung der „Oxydoide“ (oxidähnlich). Eis und Schnee gehören nach Hausmann zum „Weichwasser“, das tafelförmig als Eisschollen, stalaktitisch als Eiszapfen, rindenförmig als Glatteis und kugelähnlich als Hagel vorkommt.
Da Eis bereits lange vor der Gründung der International Mineralogical Association (IMA) bekannt und als eigenständige Mineralart anerkannt war, wurde dies von ihrer Commission on New Minerals, Nomenclature and Classification (CNMNC) übernommen und bezeichnet das Eis als sogenanntes „grandfathered“ (G) Mineral. Die ebenfalls von der IMA/CNMNC anerkannte Kurzbezeichnung (auch Mineral-Symbol) lautet „Ice“.
Klassifikation Bereits in der veralteten 8. Auflage der Mineralsystematik nach Strunz gehörte Eis zur Klasse der „Oxide und Hydroxide“ und dort zur Abteilung der „Verbindungen mit M2O und MO“, wo es als Eis (I) zusammen mit Eis (Ic) die unbenannte Gruppe IV/A.01 bildete.
Im zuletzt 2018 überarbeiteten und aktualisierten Lapis-Mineralienverzeichnis nach Stefan Weiß, das sich aus Rücksicht auf private Sammler und institutionelle Sammlungen noch nach dieser klassischen Systematik von Karl Hugo Strunz richtet, erhielt das Mineral die System- und Mineral-Nr. IV/A.01-10. In der „Lapis-Systematik“ entspricht dies der Abteilung „Oxide mit dem Stoffmengenverhältnis Metall : Sauerstoff = 1 : 1 und 2 : 1 (M2O, MO)“, wo Eis als einziges Mitglied die unbenannte Gruppe IV/A.01 bildet.
Die von der International Mineralogical Association (IMA) zuletzt 2009 aktualisierte 9. Auflage der Strunz’schen Mineralsystematik ordnet Eis ebenfalls in die Abteilung der „Oxide mit dem Stoffmengenverhältnis Metall : Sauerstoff = 2 : 1 und 1 : 1“ ein. Diese ist allerdings weiter unterteilt nach dem genauen Anion-Kationen-Verhältnis und der relativen Größe der Kationen, so dass das Mineral entsprechend seiner Zusammensetzung in der Unterabteilung „Kation : Anion (M : O) = 2 : 1 (und 1,8 : 1)“ zu finden ist, wo es als Eis-Ih die unbenannte Gruppe 4.AA.05 bildet.
Auch die vorwiegend im englischen Sprachraum gebräuchliche Systematik der Minerale nach Dana ordnet das Eis in die Klasse der „Oxide und Hydroxide“ und dort in die Abteilung der „Oxide“ ein. Hier ist es als einziges Mitglied in der unbenannten Gruppe 04.01.02 innerhalb der Unterabteilung „Einfache Oxide mit einer Kationenladung von 1+ (A2O)“ zu finden.
Kristallstruktur mini|Kristallstruktur von Eis. Die gestrichelten Bindungen markieren die Wasserstoffbrücken
Im festen Aggregatzustand des Wassers wird als Eis normalerweise eine hohe Fernordnung durch Ausbildung eines Kristallgitters im Zuge der Kristallisation erreicht. Im flüssigen Zustand herrscht eine Mischung von Ordnung und Chaos.
Natürliches Eis kristallisiert im hexagonalen Kristallsystem in der mit den Gitterparametern a = 4,52 Å und c = 7,36 Å sowie vier Formeleinheiten pro Elementarzelle.
Sechs Wassermoleküle schließen sich dabei über Wasserstoffbrücken jeweils zu einem Ring zusammen, wobei jedes Molekül ebenfalls Teil von zwei benachbarten Ringen ist. Die hexagonale Symmetrie der Kristallstruktur spiegelt sich in der makroskopischen Gestalt der Eiskristalle wider. In dieser Struktur ist jedes Sauerstoffatom tetraedrisch von jeweils vier anderen O-Atomen umgeben.
Hexagonales Eis wird mit Eis Ih bezeichnet.
Modifikationen Unter −22 °C und über 207,5 MPa bilden sich noch andere, zum Beispiel kubische Eisformen aus, etwa das metastabile, kubische Eis Ic, in welchem die Sauerstoffatome eine Diamantstruktur aufweisen. Bisher sind 17 kristalline und 5 amorphe Modifikationen bekannt (Stand Januar 2010). Amorphes Eis hat keine Kristallstruktur. Eiswolken im interstellaren Raum haben eine Temperatur von ca. −260 °C und sind amorpher Struktur („fließen“).
Die 17 kristallinen Formen werden als Eis Ih, Eis Ic, sowie Eis II bis Eis XVI bezeichnet (z. B. Eis VI). 2021 konnten zwei weitere superionische Eis-Phasen (Eis XVIII und Eis XX) nachgewiesen werden. 2025 wurde das metastabile Eis XXI entdeckt, zusammen mit der Eigenschaft, dass unterschiedliche Stufen beim Gefrieren oder Schmelzen über die verschiedenen Modifikationen des Eises auftreten können. Eis XXI bildet sich bei Raumtemperatur und einem Druck von ca. 2 GPa.
Eigenschaften
mini|Zugefrorener Ententeich wird durch kontinuierliche Besprenkelung offengehalten mini|Am besonnten Fels sublimierendes Eis
Dichteanomalie und Schwimmfähigkeit Aufgrund der Dichteanomalie des Wassers schwimmt Eis in Form von Eisschollen und Eisbergen auf der Wasseroberfläche. Hierbei befindet sich nur rund ein Zehntel des Eisvolumens über der Wasseroberfläche, die übrigen rund 90 Volumenprozent tauchen unter. Von einem 100 Meter dicken Tafeleisberg liegen daher etwa 90 Meter unter Wasser (die im Auftrieb verdrängte Wassermasse entspricht der Gewichtskraft des Eises).
Gemäß dem Archimedischen Prinzip gilt:
Umgeformt auf den prozentualen Anteil des im Salzwasser (ρ ≈ 1,025 g/cm³) befindlichen Eises (ρ = 0,918 g/cm³) entspricht dies:
Die Form des Eisbergs hat entsprechend keinen Einfluss auf dessen Eindringtiefe in das Wasser.
Erstarrungsvorgang Der Schmelz- bzw. Gefrierpunkt von Eis liegt unter Normalbedingungen bei 0 °C (dem „Eispunkt“), die spezifische Schmelzenthalpie beträgt Hfus = 332,8 kJ/kg.
Kristallisationskeime, also schon vorhandene Eiscluster in der Flüssigkeit, oder Verunreinigungen wie Staubpartikel, Bakterien usw. sind allerdings Bedingung für eine Eiskristallbildung bei 0 °C, da sich nur dort die Wassermoleküle zum kristallisieren anlagern können, fehlen diese Keime kann das Wasser auch unterhalb des Gefrierpunktes abgekühlt werden, es entsteht das sogenannte „unterkühlte Wasser“. In nicht gefrorenem Wasser unter 0 °C besitzen die Moleküle eine vom Normalfall abweichende Nahordnung, und es bilden sich Ikosaederstrukturen aus: so kann z. B. sauberes unterkühltes Mineralwasser an den beim Öffnen der Flaschen entstehenden Gasperlen spontan gefrieren. Ohne externe Auslöser gefriert Wasser bei −48 °C. Sehr reines (destilliertes) Wasser kann bis zu −70 °C unterkühlt werden.
Der Gefrierpunkt kann durch Bestreuen mit Salzen (Streusalz) herabgesetzt werden. Dies ist eine kolligative Eigenschaft, die Gefrierpunktserniedrigung hängt nur von der Menge der gelösten Teilchen, nicht jedoch von ihrer Art ab. Der gleiche Effekt lässt sich also auch mit Zucker erreichen.
Zusätzlich kann auch die Lösungsenthalpie eines Stoffs Eis zum Schmelzen bringen. Entscheidend hierfür ist, dass der hinzugegebene Stoff im festen Lösungsmittel unlöslich ist. Erreicht wird dieser Effekt durch die Erniedrigung des chemischen Potenzials der Flüssigphase. Dieser Effekt erzeugt gleichzeitig eine Siedepunkterhöhung des Wassers.
Schmelzvorgang Der Übergang von festem zu flüssigem Aggregatzustand heißt Schmelzen. Um Eis zu schmelzen, müssen Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wassermolekülen des Eises aufgebrochen werden. Dazu muss dem Eis Energie zugeführt werden. Beim Schmelzen absorbiert es so viel Energie, wie benötigt würde, um eine äquivalente Wassermasse auf 80 °C zu erhitzen. Die Temperatur der schmelzenden Eisoberfläche bleibt während des Schmelzens konstant bei 0 °C. Die Geschwindigkeit des Schmelzvorgangs hängt daher von der Effizienz der Energiezufuhr zur Eisoberfläche ab. Eine Eisoberfläche in Süßwasser schmilzt allein durch freie Konvektion bei gemäßigter Wassertemperatur mit einer Geschwindigkeit, die wie (T∞ – 4 °C)4/3 von der Temperatur des Süßwassers, T∞, abhängt.
Sublimation Eis tritt bei ausreichend kalter und trockener Luft auch bei Atmosphärendruck durch Sublimation direkt in Gasform (Wasserdampf) über. Daher ist es möglich, Wäsche bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt zu trocknen. Dieser Effekt wird bei der Gefriertrocknung im industriellen Maßstab genutzt.
Umgekehrt geht bei Temperaturen unterhalb des Tripelpunktes (wobei sich der Druck auf den Wasserdampf-Partialdruck bezieht) gasförmiges Wasser direkt, ohne den Umweg über eine flüssige Phase, in den festen Zustand über (Resublimation). Es bildet sich also Reif.
Farbe mini|Bläulich durchscheinende Eisdecke des Fryxellsees
Eis ändert seine Farbe mit dem Luftgehalt und kann so auch in unterschiedliche Gruppen eingeteilt werden. Eis, das viel Luft enthält, ist weiß, solches, das wenig Luft enthält, ist durchsichtig und blau oder grün. Ein besonderer Fall von „farbigem“ Eis sind sogenannte Grüne Eisberge, bei welchen es sich um alte umgekippte Eisberge handelt, deren algenbewachsene Unterseite nun sichtbar ist.