Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 20.09.10

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3.9 Aggregatzustände

Ziel: Wie unterscheidet sich Eis von Wasser und Dampf auf Molekülebene?

Material
bulletV 1
bulletTrockeneis, ca. 50g

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3.9.1 Beschreibung

Tafelskizze / Folie: Aggregatzustände

Der Festpunkt Fp. (Schmelzpunkt Smp., Mp.) und der Kochpunkt Kp. (Siedepunkt Sdp., Bp.) sind physikalische Kenngrößen eines Stoffes: ist der Stoff sehr rein, so zeigt er (unter jeweils gleiche äußeren Bedingungen wie z.B. Druck) stets denselben Kp. bzw. Fp.

V1: Demonstration eines Schmelzpunktes
M:
bulletAlu Folie
bulletBrenner, Feuerzeug
D:
bulletRolle aus Alufolie knüllen
bulletin der BB-Flame erhitzen
B: Aluminium schmilzt plötzlich.

Hinweis: Der Übergang Rotglut-Weißglut-Schmelze bei Eisen ist eine Ausnahme. Er erscheint bei reinem Eisen auch nicht so deutlich wie bei Stahl.

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3.9.2 Übergänge

Demonstration: Trockeneis

Die Energie, die nötig ist, um einen Stoff aus einem geordneten Aggregatzustand in einen ungeordneten zu überführen, dient der Überwindung der Anziehungskräfte zwischen den Teilchen und dem Übertritt in das umgebende Medium.

Umgebungsmedium ist in der Regel Luft des Luftdrucks um 1013 hPa. Wird der Druck erhöht, siedet eine Flüssigkeit später (Wasser z.B. erst bei 150°C), wird er erniedrigt, früher (auf dem Mt. Everest siedet Wasser bei unter 70°C).

Bei Umwandlung in umgekehrter Richtung wird diese Energie wieder frei.

Hinweis: Frostschutz bei Obstbäumen in der Blüte

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3.9.3 Besonderheiten bei Gasen

Mit Gasen gehen physikalische Chemiker gerne um, weil die Teilchen in diesem Aggregatzustand minimale Wechselwirkung zeigen. Um auch diese minimalen WW auszuschalten, formuliert man ein ideales Gas:

Bei einem idealen Gas:

bulletsind alle Teilchen kugelförmig
bulletzeigen untereinander keine WW und
bulletverteilen sich von selbst in einem gegebenen Raum gleichmäßig (Diffusion).

Hinweis: Temperatur ist die mittlere Geschwindigkeit von Teilchen.

Daraus ergibt sich folgende Vorstellung:

bulletIdeale Gasteilchen sind gleichmäßig im zur Verfügung stehenden Raum verteilt; daraus ergibt sich die Eigenschaft Volumen.
bulletSie bewegen sich alle mit einer mittleren Geschwindigkeit; daraus ergibt sich die Eigenschaft Temperatur.
bulletDabei stoßen sie miteinander (H2 z.B. 1,6*1010 mal/s) und mit der Gefäßwand zusammen; daraus ergibt sich die Eigenschaft Druck.

Gay-Lussac und Boyle-Mariotte formulierten die Abhängigkeit dieser Variablen voneinander:

Zustandsgleichung idealer Gase.

Oder, wenn man das Gas unter beliebigen Bedingungen betrachtet:

Eine Seite der Gleichung kann man normieren, damit berechnete Zahlenwerte für verschiedene Gase verglichen werden können:

wobei n=Normalbedingungen.

Normalbedingungen sind:

bulletp=1013 mbar (hPa)
bulletT= 273 K (0°C)
bulletV=n*VM, wobei VM = 22,4 l/mol

Durch Einsetzen ergibt sich:

p * V = n * R * T
allgemeine Gasgleichung.

Wobei:

bulletn=Molzahl
bulletR=8.31 J/Kmol (allgemeine Gaskonstante).

Was leisten die Gasgesetze?

a. Voraussage des absoluten Temperatur-Nullpunktes

Tafelskizze/Folie: V/T-Kurve und absolute Temperatur

Verlängert man die für gasförmige Stoffe gefundenen Kurven, so erreichen sie alle V=0 bei -273,15°C.

b. Das Molvolumen

1 Mol eines idealen Gases nimmt unter Normalbedingungen immer das (Mol)Volumen von 22,4 Litern ein.

Hinweis 1: Ideal verhalten sich über den größten Temperaturbereich nur H2 und He. Alle anderen bei RT gasförmigen Stoffe (O2, N2, CO2...) verhalten sich nur bei größerer Verdünnung (p≤1At) und oberhalb 0°C weitgehend ideal.

Hinweis 2: Zwischen realen Gasen herrschen mindestens vdW-Kräfte. Ab einem bestimmten Druck oder unterhalb einer bestimmten Temperatur werden sie flüssig oder sogar fest. Ein ideales Gas würde diese Eigenschaften nicht zeigen.

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3.9.4 Anomalien bei Wasser

Beobachtung: Eis schwimmt auf dem Wasser, d.h. es müsste eine geringere Dichte besitzen als das Wasser. Widerspruch zur Skizze „Aggregatzustände“!

Wasser bildet tatsächlich eine Ausnahme. Das ist so bedeutend, dass man annimmt, nur deshalb sei Wasser so eng mit dem Leben verbunden.

Wasser besitzt die größte Dichte bei +4°C: 1.0000 g/cm3.

Bei 0°C ist die Dichte des Wassers 0.9999, die des Eises 0.9168.

Bedeutung:

bulletKühlt ein See im Herbst an der Oberfläche ab, so tut er das zunächst bis +4°C. Diese schwerste Form sinkt ab, wärmeres steigt nach oben (Konvektion) und wird ebenfalls abgekühlt. Das geht so lange, bis der See auf seine gesamte Tiefe auf +4°C abgekühlt ist. Erst dann gefriert der See von oben nach unten zu. In unserem Klima entstehen dabei Eisschichten von max. 40cm Dicke, d.h. darunter befindet sich immer flüssiges Wasser der Temperatur +4°C.
bulletBestünde keine Anomalie, würde das dann schwerere Eis absinken, der See würde von unten nach oben einfrieren, mit katastrophalen Folgen für das Leben darin. In Verbindung mit der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Wassers kann man berechnen, dass in unseren Breiten die meisten Seen im Sommer nur an der Oberfläche auftauen würden.

Exkurs: Eine einfache Rechnung dazu:

0,9999 : 0,9168 = 1,0906. Das ist eine Ausdehnung um 1/11 oder 9%!

Hinweis 1: Das Sprengen von Gestein durch die Erhöhung des Volumens (=Erniedrigung der Dichte) beim Gefrieren ist ein wesentlicher Erosionsfaktor:

bulletbeim Abbau von Gebirgen und
bulletbei der Entstehung von Boden.

Hinweis 2: Eisbergproblem: „Wie groß ist die Spitze eines Eisberges“? In reinem Wasser 1/11 der Masse, in Meerwasser etwas größer (9/10), da es eine größere Dichte als reines Wasser besitzt.

Hinweis 3: Früher war 1g definiert als die Masse von 1cm3 Wasser bei 4°C. Im Prinzip gilt das heute noch bis zu einer Genauigkeit von 5 Stellen hinter dem Komma (im Gramm-Bereich 10µg).

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    E-Mail an: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de