Einstieg: Wohin verschwindet die Pfütze?
Nach einem Regenschauer ist der Schulhof voller Pfützen. Am Nachmittag sind sie weg, obwohl niemand gewischt hat. Im Winter wird dieselbe Pfütze zu Eis, und an kalten Morgen siehst du deinen Atem als kleine Wolke. Wasser kann fest, flüssig und gasförmig sein. Wovon hängt das ab, und gilt das auch für andere Stoffe?
Erklärung: Drei Aggregatzustände
Stoffe können in drei Aggregatzuständen vorliegen:
| Aggregatzustand | Form | Volumen | Beispiel bei 20 °C |
|---|---|---|---|
| fest (s) | feste Form | festes Volumen | Eisen, Kochsalz, Eis im Gefrierfach |
| flüssig (l) | passt sich dem Gefäß an | festes Volumen | Wasser, Speiseöl, Ethanol |
| gasförmig (g) | füllt jedes Gefäß ganz aus | lässt sich zusammenpressen | Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoffdioxid |
Die Buchstaben in Klammern kommen aus dem Lateinischen und Englischen: s für solid, l für liquid, g für gaseous.
Übergänge zwischen den Aggregatzuständen
Welcher Aggregatzustand vorliegt, hängt bei einem Stoff von der Temperatur ab. Die Übergänge haben eigene Namen:
Beim Schmelzen, Verdampfen und Sublimieren muss Wärme zugeführt werden. Beim Erstarren, Kondensieren und Resublimieren gibt der Stoff Wärme ab.
Achtung, Alltagssprache: Der weiße „Dampf“ über dem Kochtopf ist kein Gas. Wasserdampf ist unsichtbar. Was du siehst, sind winzige Wassertröpfchen, die in der kühleren Luft schon wieder kondensiert sind.
Schmelztemperatur und Siedetemperatur
Die Temperatur, bei der ein Stoff schmilzt, heißt Schmelztemperatur. Bei derselben Temperatur erstarrt er auch wieder. Die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit siedet, also überall im Inneren Gasblasen bildet, heißt Siedetemperatur. Verdunsten kann eine Flüssigkeit schon unterhalb der Siedetemperatur, wie die Pfütze zeigt. Das geht aber langsam und nur an der Oberfläche.
Schmelz- und Siedetemperatur sind typisch für einen Reinstoff und eignen sich deshalb gut für seinen Steckbrief. Sie gelten bei normalem Luftdruck.
| Stoff | Schmelztemperatur | Siedetemperatur |
|---|---|---|
| Sauerstoff | −219 °C | −183 °C |
| Ethanol (Alkohol) | −114 °C | 78 °C |
| Wasser | 0 °C | 100 °C |
| Kochsalz | 801 °C | 1465 °C |
| Eisen | 1538 °C | 2862 °C |
Versuch: Wir erhitzen Eis
Eine Lehrkraft oder eine Gruppe erhitzt zerstoßenes Eis in einem Becherglas auf einer Heizplatte, rührt ständig und liest jede Minute die Temperatur ab. Schutzbrille tragen, das Becherglas nicht berühren, Siedesteinchen zugeben, damit das Wasser nicht plötzlich aufschäumt.
Beispiele
Beispiel 1: Das Diagramm auswerten
Am Anfang steigt die Temperatur des Eises von −10 °C auf 0 °C. Dann bleibt sie etwa drei Minuten lang bei 0 °C, obwohl die Heizplatte weiter heizt. In dieser Zeit schmilzt das Eis. Die zugeführte Wärme wird zum Schmelzen gebraucht und erhöht die Temperatur nicht. Erst wenn alles Eis geschmolzen ist, steigt die Temperatur wieder. Bei 100 °C bildet sich das zweite waagerechte Stück: Das Wasser siedet, und die Wärme wird für das Verdampfen gebraucht.
Beispiel 2: Aggregatzustand aus der Tabelle bestimmen
Welchen Aggregatzustand hat Ethanol bei 20 °C, bei 90 °C und bei −120 °C?
- Bei 20 °C: über der Schmelztemperatur (−114 °C), unter der Siedetemperatur (78 °C). Ethanol ist flüssig.
- Bei 90 °C: über der Siedetemperatur. Ethanol ist gasförmig.
- Bei −120 °C: unter der Schmelztemperatur. Ethanol ist fest.
Merke dir das Vorgehen: Liegt die Temperatur unter der Schmelztemperatur, ist der Stoff fest. Liegt sie zwischen Schmelz- und Siedetemperatur, ist er flüssig. Liegt sie über der Siedetemperatur, ist er gasförmig.
Merksatz
Stoffe kommen fest, flüssig oder gasförmig vor. Welcher Aggregatzustand vorliegt, hängt von der Temperatur ab. Schmelztemperatur und Siedetemperatur sind typische Eigenschaften eines Reinstoffs. Während ein Reinstoff schmilzt oder siedet, bleibt seine Temperatur gleich.
Übungen
Grundlagen
- Benenne die Übergänge: a) Butter in der Pfanne wird flüssig. b) An einer kalten Brille bilden sich Tropfen. c) Wäsche trocknet auf der Leine. d) An einem Wintermorgen bildet sich Raureif an Gräsern.
- Gib den Aggregatzustand bei 20 °C an: Sauerstoff, Eisen, Wasser, Kochsalz.
- Erkläre den Unterschied zwischen Verdunsten und Sieden.
Weiter
- Bestimme mithilfe der Tabelle den Aggregatzustand von Wasser bei −5 °C, von Sauerstoff bei −200 °C und von Eisen bei 2000 °C.
- Erkläre, warum die Temperatur im Diagramm zwischen Minute 2 und Minute 5 bei 0 °C bleibt.
- Tom sagt: „Über dem Wasserkocher sieht man Wasserdampf.“ Übersetze den Satz in Fachsprache und erkläre, was man tatsächlich sieht.
Knobeln
- Ein unbekannter, farbloser, flüssiger Stoff siedet im Versuch bei 78 °C. Welcher Stoff aus der Tabelle könnte es sein? Warum reicht diese eine Messung noch nicht als Beweis?
- Im Winter streut man auf Gehwege Salz, im Polarmeer friert Salzwasser erst unter 0 °C. Formuliere eine Vermutung, wie gelöstes Salz die Erstarrungstemperatur von Wasser verändert, und plane einen Versuch, mit dem du sie überprüfst.
Lösungen
- a) Schmelzen. b) Kondensieren. c) Verdunsten (Verdampfen unterhalb der Siedetemperatur). d) Resublimieren: Wasserdampf aus der Luft wird direkt zu Eis.
- Sauerstoff gasförmig, Eisen fest, Wasser flüssig, Kochsalz fest.
- Verdunsten geschieht unterhalb der Siedetemperatur, langsam und nur an der Oberfläche. Beim Sieden ist die Siedetemperatur erreicht, und im ganzen Inneren der Flüssigkeit bilden sich Gasblasen.
- Wasser bei −5 °C: fest. Sauerstoff bei −200 °C: zwischen −219 °C und −183 °C, also flüssig. Eisen bei 2000 °C: zwischen 1538 °C und 2862 °C, also flüssig.
- In dieser Zeit schmilzt das Eis. Die zugeführte Wärme wird vollständig zum Schmelzen gebraucht. Erst wenn alles geschmolzen ist, steigt die Temperatur weiter.
- Fachsprachlich: „Über dem Wasserkocher kondensiert Wasserdampf zu feinen Tröpfchen.“ Der Wasserdampf selbst ist unsichtbar. Die sichtbare Wolke besteht aus flüssigen Wassertröpfchen.
- Ethanol, denn seine Siedetemperatur ist 78 °C. Eine Eigenschaft allein ist kein Beweis, weil ein anderer Stoff zufällig eine ähnliche Siedetemperatur haben kann. Man prüft weitere Eigenschaften, zum Beispiel Geruch (zufächeln), Brennbarkeit oder Dichte.
- Vermutung: Gelöstes Salz senkt die Erstarrungstemperatur von Wasser. Versuch: Zwei gleiche Proben, eine aus Leitungswasser, eine aus Salzwasser, in eine Kältemischung oder ins Gefrierfach stellen und regelmäßig die Temperatur messen. Gleich bleiben müssen Wassermenge, Gefäß und Kühlung. Ergebnis: Das Salzwasser erstarrt erst unter 0 °C.