Schmelz- und Siedetemperaturen

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1 Schmelz- und Siedetemperaturen 1) Schmelztemperatur einiger fester Stoffe und Siedetemperatur von Wasser: Chemikalien: Geräte: Stearinsäure (=Octadecansäure), Fixiersalz (=Natriumthiosulfat-pentahydrat), Naphthalin [X n,, N; nur Lehrerversuch!], (dest.) Wasser Reagenzgläser, Thermometer (Bereich C), Stativmaterial (Stativ mit Klemme und Muffe), 250ml-Becherglas mit 150ml Wasser und 2 Siedesteinchen, Dreifuß mit Keramikdrahtnetz, Gasbrenner, Streichhölzer, Stoppuhr, saugfähiges Papier, Gummistopfen Versuchsdurchführung: Das Reagenzglas wird etwa 2fingerbreit mit einer der drei Substanzen gefüllt, schräg gehalten und unter Drehen das Thermometer bis zum Reagenzglasboden eingeführt. Das Becherglas mit 150ml Wasser wird auf den Dreifuß mit Keramikdrahtnetz gestellt, das Reagenzglas an seinem oberen Ende am Stativ befestigt und bis etwa 1fingerbreit oberhalb des Becherglasbodens eingetaucht, so dass das Wasser höher steht als der Feststoff. Ein weiteres Thermometer wird unbefestigt in das Becherglas gestellt. Der Gasbrenner wird entzündet, die Arbeitsflamme eingestellt und mit Hilfe der Gasregulierungsschraube so geregelt, dass sie eben ans Keramikdrahtnetz reicht. Beim Drunterstellen des Gasbrenners wird die Stoppuhr gestartet und sofort die Reagenzglas sowie im Becherglas abgelesen und in einer Tabelle notiert. Dann wird alle 10sec die Reagenzglas und alle 30sec die Becherglas abgelesen und das jeweilige Aussehen des Stoffes im Reagenzglas und des Wassers im Becherglas beschrieben. Wenn das Wasser 4min lang deutlich kocht, wird der Brenner ausgestellt, das Reagenzglas etwa 1handbreit oberhalb des Becherglases befestigt, das auf dem Dreifuß stehen bleibt. Wie zuvor wird alle 10sec die Reagenzglas und alle 30sec die Becherglas abgelesen und das jeweilige Aussehen des Stoffes im Reagenzglas und des Wassers im Becherglas beschrieben. Das Ablesen wird beendet, nachdem der Stoff im Reagenzglas vollständig erstarrt ist (bzw. bei Fixiersalz: wenn die Reagenzglas 35 C erreicht hat). Wenn das Reagenzglas mit Fixiersalz auf Zimmertemperatur abgekühlt ist, wird ein Körnchen Fixiersalz aus dem Vorratsgefäß hinzugegeben und Reagenzglas sowie Thermometer beobachtet. Um die Thermometer aus den Reagenzgläsern mit den wieder fest gewordenen Stoffen nehmen zu können, werden diese Reagenzgläser gesammelt in ein Becherglas mit kochendem Wasser gestellt, bis der Inhalt erneut geschmolzen ist. Die Thermometer werden dann mit saugfähigem Papier gründlich gereinigt. Die (beschrifteten) Reagenzgläser werden mit einem Gummistopfen verschlossen aufbewahrt. Zeichnungen:

2 Reagenzglas Reagenzglas Becherglas Becherglas (1min) (2min) (3min) (4min) (5min) (6min) (7min)

3 Reagenzglas Reagenzglas Becherglas Becherglas (8min) (9min) (10min) (11min) (12min) (13min) (14min) (15min)

4 Reagenzglas Reagenzglas Becherglas Becherglas

5 Die Tabellen-Daten werden graphisch dargestellt, indem sie (für Feststoff und Wasser verschieden farbig) auf mm-papier bzw. mm-folie in ein rechtwinkliges Diagramm übertragen werden: waagerechte x-achse (): 1mm = 10sec senkrechte y-achse (Temperatur): Nullpunkt: 10 C 10mm = 5 C Die jeweiligen Messpunkte bzw. kreuze werden untereinander zu einer Kurve verbunden. : a) Stearinsäure: Während der Aufheizphase steigt die Kurve anfänglich nur langsam, dann stetig an. Bei einer Temperatur von 71 C verläuft sie kurze parallel zur x-achse, um dann wieder stetig anzusteigen. In der Abkühlphase sinkt die Temperatur zunächst stetig. Bei einer Temperatur von 71 C verläuft sie wieder kurze parallel zur x-achse, um dann wieder stetig weiter zu fallen. b) Fixiersalz: Während der Aufheizphase steigt die Kurve anfänglich nur langsam, dann stetig an. Bei einer Temperatur von 45 C verläuft sie kurze parallel zur x-achse, um dann wieder stetig anzusteigen. In der Abkühlphase sinkt die Kurve langsam, ohne dass sie bei einer Temperatur von 45 C wieder kurze parallel zur x-achse verläuft. Auch bei Abkühlen bis auf Zimmertemperatur wird der Stoff nicht wieder fest, sondern bleibt flüssig. Bei Zugabe eines Kristall-Körnchens jedoch erstarrt das Fixiersalz sehr schnell, wobei gleichzeitig die Temperatur bis auf C steigt. c) Naphthalin: Während der Aufheizphase steigt die Kurve anfänglich nur langsam, dann stetig an. Bei einer Temperatur von 81 C verläuft sie kurze parallel zur x-achse, um dann wieder stetig anzusteigen. In der Abkühlphase sinkt die Kurve zunächst stetig. Bei einer Temperatur von 81 C verläuft sie wieder kurze parallel zur x-achse, um dann wieder stetig weiter zu fallen. Auswertung (= Mögliche Erklärung der ): Als Schmelztemperatur (SmT) wird die Temperatur festgelegt, bei der die Kurve im Temperatur--Diagramm während der Aufheizphase des Feststoffs parallel zur -Achse verläuft: SmT (Stearinsäure): 71 C SmT (Fixiersalz): 45 C SmT (Naphthalin): 81 C Trotz weiteren Erwärmens steigt die Temperatur nicht weiter an, weil die zugeführte (Wärme-) Energie zum vollständigen Schmelzen des Feststoffes benötigt wird. Als Erstarrungstemperatur wird die Temperatur festgelegt, bei der die Kurve im Temperatur- -Diagramm während der Abkühlphase der Flüssigkeit wieder parallel zur -Achse verläuft. Die Erstarrungstemperatur ist genauso groß wie die Schmelztemperatur, so dass vereinfachend nur letztere angegeben wird (auch für Stoffe, die bei Zimmertemperatur flüssig oder gasig sind). Fixiersalz zeigt die Besonderheit, dass es nach dem Schmelzen beim Abkühlen nicht ohne weiteres wieder erstarrt (sog. unterkühlte Flüssigkeit). Erst bei Zufügen eines "Kristallisationskeims" wird das flüssige Fixiersalz wieder fest, wobei die in der Flüssigkeit gespeicherte Energie wieder als Wärme abgegeben wird (vgl. praktische Anwendung in sog. "Handwärmern").

6 : d) Wasser: Während der Aufheizphase steigt die Kurve langsam, aber stetig an. Bei einer Temperatur von 100 C verläuft sie parallel zur x-achse, solange das Wasser "kocht". Auswertung (= Mögliche Erklärung der ): Als Siedetemperatur (SdT) wird die Temperatur festgelegt, bei der die Kurve im Temperatur- -Diagramm während der Aufheizphase der Flüssigkeit parallel zur -Achse verläuft. Trotz weiteren Erwärmens steigt die Temperatur nicht weiter an, weil die zugeführte (Wärme-) Energie zum vollständigen Verdampfen der Flüssigkeit benötigt wird: SdT (Wasser): 100 C Zusammenfassendes Ergebnis: Die Temperatur, bei der ein Feststoff durch Erwärmen zu einer Flüssigkeit wird, ist eine Stoffeigenschaft, die Schmelztemperatur (SmT). Trotz weiteren Erwärmens steigt die Temperatur während des Schmelzens nicht weiter an, weil die zugeführte (Wärme-)Energie zum vollständigen Schmelzen des Feststoffes benötigt wird. Die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit durch Abkühlen zu einem Feststoff wird, nennt man Erstarrungstemperatur. Da Schmelztemperatur = Erstarrungstemperatur ist, gibt man auch für Stoffe, die bei Zimmertemperatur flüssig (oder gasig) sind, nur eine Schmelztemperatur an. Die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit durch Erwärmen zu einem Gas wird, ist eine Stoffeigenschaft, die Siedetemperatur (SdT). Trotz weiteren Erwärmens steigt die Temperatur während des Siedens nicht weiter an, weil die zugeführte (Wärme-)Energie zum vollständigen Verdampfen der Flüssigkeit benötigt wird. Die Temperatur, bei der ein Gas durch Abkühlen zu einer Flüssigkeit wird, nennt man Kondensationstemperatur. Da Siedetemperatur = Kondensationstemperatur ist, gibt man auch für Stoffe, die bei Zimmertemperatur gasig (oder fest) sind, nur eine Siedetemperatur an. Anmerkungen zum Begriff "gasig": Der Begriff "gasig" mag ungewohnt erscheinen, ist meiner Meinung nach aber (nicht nur für Schüler) wesentlich besser als der weithin bekannte, aber irreführende Begriff "gasförmig", denn Gase besitzen nun mal keine Form. Auch in anderen Sprachen wird dieser irreführende Begriff nicht verwendet (z.b. englisch: gaseous / französisch: gazeux / spanisch: gaseoso).

7 2) Siedetemperatur von feuergefährlichen Flüssigkeiten: Chemikalien: Geräte: Ethanol (Hauptbestandteil von Spiritus) Aceton (Hauptbestandteil mancher Nagellackentferner) Ethylacetat (Lösemittel für Klebstoffe, z.b. Uhu, Pattex ) Glycerin (Gleitmittel für Glas in Gummi) 50ml-Weithals-Erlenmeyerkolben, doppelt durchbohrter Gummistopfen, ca. 40cm langes Glasrohr mit etwas Eisenwolle im oberen Ende, Thermometer (Bereich C), Stativmaterial (Stativ mit Klemme und Muffe), Siedesteinchen, Dreifuß mit Keramikdrahtnetz, 250ml-Becherglas mit etwa 150ml Wasser und 2 Siedesteinchen, Gasbrenner, Streichhölzer, Stoppuhr Versuchsdurchführung: In den Erlenmeyerkolben werden etwa 20ml Flüssigkeit sowie 2 Siedesteinchen gegeben. In den Gummistopfen werden mit Hilfe von 1-2Tropfen Glycerin von oben her vorsichtig das Glasrohr und das Thermometer eingeführt. Dabei soll das Glasrohr nur eben aus dem Stopfen herauskommen, das Thermometer hingegen etwa 1cm oberhalb des Erlenmeyerkolben-Bodens enden. Die Apparatur wird am Stativ befestigt und in das auf dem Dreifuß stehende Becherglas mit Wasser getaucht, so dass der Wasserstand im Becherglas etwa 1fingerbreit höher ist als der Flüssigkeitsstand im Erlenmeyerkolben. Der Gasbrenner wird entzündet, die Arbeitsflamme eingestellt und mit Hilfe der Gasregulierungsschraube so geregelt, dass sie eben ans Keramikdrahtnetz reicht. Beim Drunterstellen des Gasbrenners wird die Stoppuhr gestartet und sofort die Erlenmeyerkolben abgelesen und in einer Tabelle notiert. Dann wird weiterhin alle 15sec die Erlenmeyerkolben abgelesen und das jeweilige Aussehen des Stoffes beschrieben. Wenn die Flüssigkeit zu sieden beginnt, wird zusätzlich das Steigrohr beobachtet und alle 15sec ein brennendes Streichholz an das obere Ende gehalten. Wenn sich kaum noch Flüssigkeit im Erlenmeyerkolben befindet bzw. die Flamme endgültig erlischt, lässt man das Wasser noch 4min lang deutlich kochen und liest weiterhin alle 15sec die Temperatur ab. Dann wird der Brenner ausgestellt und die Apparatur zur Abkühlung etwa 1handbreit oberhalb des Becherglases befestigt, das auf dem Dreifuß stehen bleibt. Alternativ kann wie in Versuch a alle 30sec auch die Temperatur des Wassers im Becherglas mit einem Thermometer gemessen und notiert werden. Die Tabellen-Daten werden graphisch dargestellt, indem sie (ggf. für Wasser verschieden farbig) auf mm- Papier bzw. mm-folie in ein rechtwinkliges Diagramm übertragen werden: waagerechte x-achse (): 1mm = 15sec senkrechte y-achse (Temp.): 10mm = 5 C Nullpunkt: 10 C Die jeweiligen Messpunkte bzw. kreuze werden untereinander zu einer Kurve verbunden. Zeichnungen:

8 Erlenmeyerkolben Erlenmeyerkolben Evtl.: Temperatur im Becherglas (1min) (2min) (3min) (4min) (5min) (6min) (7min) (8min) (9min) (10min)

9 Erlenmeyerkolben Erlenmeyerkolben Evtl.: Becherglas (11min) (12min) (13min) (14min) (15min) (16min) (17min) (18min) (19min) (20min)

10 Erlenmeyerkolben Erlenmeyerkolben Evtl.: Temperatur im Becherglas

11 : Während der Aufheizphase steigt die Kurve anfänglich langsam, dann stetig an, bis die Flüssigkeiten deutlich sieden. Dann verläuft die Kurve parallel zur x- Achse. Wenn alle Flüssigkeit verdampft ist, steigt sie wieder weiter an. Im Glasrohr sieht man eine langsam nach oben steigende ("wallende") kleine Zone Flüssigkeit. Kurz bevor diese Zone das obere Ende das Glasrohrs erreicht, bildet sich beim Entzünden eine Flamme. Auswertung (= Mögliche Erklärung der ): Als Siedetemperatur (SdT) wird die Temperatur festgelegt, bei der die Kurve im Temperatur- -Diagramm während der Aufheizphase der Flüssigkeit parallel zur -Achse verläuft: SdT (Ethanol): 78 C SdT (Aceton): 56 C SdT (Ethylacetat): 77 C Auch wenn das Thermometer nicht mehr in die siedende Flüssigkeit ragt, steigt trotz weiteren Erwärmens die Temperatur nicht weiter an, weil die zugeführte (Wärme-)Energie zum vollständigen Verdampfen der Flüssigkeit benötigt wird. Erst wenn die Flüssigkeit vollständig verdampft ist, kann die Temperatur des Dampfes weiter steigen. Der Dampf (= das Gas) der siedenden Flüssigkeit kondensiert teilweise wieder an den etwas kälteren Wänden des Glasrohrs in Form eines sog. "Siede-Krönchens" (Kondensationstemperatur = Siedetemperatur). Diese Zone verschiebt sich weiter nach oben, da von unten heiße Dämpfe nachströmen. Erreichen brennbare Dämpfe das obere Ende des Glasrohres, so lassen sie sich entzünden und brennen mit einer (je nach Dampfnachschub mehr oder weniger großen) Flamme. Der kleine Büschel Eisenwolle soll sicherheitshalber als sog Rückschlagsicherung ein Zurückschlagen der Flamme in den Erlenmeyerkolben-Bereich verhindern, was möglich wäre, falls sich dort noch Luft (und damit auch Sauerstoff) befinden sollte. Zusammenfassendes Ergebnis: Die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit durch Erwärmen zu einem Gas wird, ist eine Stoffeigenschaft, die Siedetemperatur (SdT). Die Temperatur, bei der ein Gas durch Abkühlen zu einer Flüssigkeit wird, nennt man Kondensationstemperatur. Da Siedetemperatur = Kondensationstemperatur ist, gibt man auch für Stoffe, die bei Zimmertemperatur gasig (oder fest) sind, nur eine Siedetemperatur an. Trotz weiteren Erwärmens steigt die Temperatur nicht weiter an, weil die zugeführte (Wärme-) Energie zum vollständigen Verdampfen der Flüssigkeit benötigt wird.

12 3) Eis Wasser Wasserdampf??!!: - Schmelz- und Siedetemperatur von Wasser: Chemikalien: Geräte: Eiswürfel (bzw. "crushed-ice"-beutel), (dest.) Wasser Tiefkühlschrank, Hammer, Abtrockentuch, 400ml-Becherglas, Dreifuß mit Keramikdrahtnetz, Thermometer (Bereich 20 bis +110 C), Gasbrenner, Streichhölzer, Stoppuhr, Leder-Arbeitshandschuh, Bierdeckel Versuchsdurchführung: Das 400ml-Becherglas wird gut zur Hälfte mit Eis gefüllt, das in ein Abtrockentuch gewickelt mit einem Hammer gut zerkleinert worden ist (bzw. direkt als "crushed ice" einem Eisbeutel entnommen wird) und auf den Dreifuß mit Keramikdrahtnetz gestellt. Man liest sofort die Temperatur ab, danach alle 15sec, wobei durchgängig mit dem Thermometer vorsichtig gerührt wird. Nach 2min wird der Gasbrenner mit eingestellter Arbeitsflamme unter den Dreifuß gestellt. Ohne Unterbrechung wird gerührt und weiterhin alle 15sec die Temperatur gemessen (Hand ggf. mit Lederhandschuh vor Wärme schützen). Wenn das Wasser 4min lang kräftig siedet, wird die Temperaturmessung beendet. Man beobachtet den Bereich direkt über der Flüssigkeit und am oberen Rand des Becherglases. Dann wird der Brenner ausgestellt und das Becherglas zum Abkühlen vorsichtig auf einem Bierdeckel abgestellt. Die Tabellen-Daten werden graphisch dargestellt, indem sie auf mm-papier bzw. mm-folie in ein rechtwinkliges Diagramm übertragen werden: waagerechte x-achse (): 1mm = 15sec senkrechte y-achse (Temp.): 10mm = 5 C Nullpunkt: -10 C Die jeweiligen Messpunkte bzw. kreuze werden untereinander zu einer Kurve verbunden. Evtl. Zusatzversuch: Etwa 20ml Wasser und 2 Siedesteinchen in einem 100ml-Erlenmeyerkolben mit einfach durchbohrtem Gummistopfen und etwa 10cm langem Glasrohr auf Dreifuß mit Keramikdrahtnetz stehend am Stativ befestigen und mit der rauschenden Brennerflamme erhitzen. Wenn das Wasser kräftig siedet, den Bereich am oberen Ende des Glasrohres genau beobachten. Dann Gasbrenner ausstellen und Apparatur abkühlen lassen. Zeichnungen:

13 (1min) (2min) (3min) (4min) (5min) (6min) (7min) (8min) (9min) (10min) Temperatur im Becherglas Aussehen im Becherglas

14 (11min) (12min) (13min) (14min) (15min) (16min) (17min) (18min) (19min) (20min) Temperatur im Becherglas Aussehen im Becherglas

15 Temperatur im Becherglas Aussehen im Becherglas

16 : Wird die Temperatur des Eises unmittelbar nach Entnahme aus dem Tiefkühlschrank gemessen, stellt man ca. 15 bis 10 C fest. Danach steigt die Temperatur auf ca. 0 C und bleibt (auch beim Erwärmen mit dem Gasbrenner) solange unverändert, wie neben flüssigem Wasser noch Eis vorhanden ist. Erst wenn alles Eis geschmolzen ist, steigt die Temperatur weiter an. Wenn das Wasser kräftig siedet, liegt die Temperatur bei ca. 100 C und steigt trotz weiteren Erwärmens nicht mehr an. Direkt über der Flüssigkeit ist nichts zu sehen. Am oberen Rand des Becherglases sieht man nebelartige Schwaden. Auch beim Zusatzversuch ist direkt an der oberen Öffnung des Glasrohres nichts zusehen, wohl aber nebelartige Schwaden etwa 1fingerbreit oberhalb der Öffnung. Auswertung (= Mögliche Erklärung der ): Als Schmelztemperatur (SmT) wird die Temperatur festgelegt, bei der die Kurve im Temperatur--Diagramm während der Aufheizphase des Feststoffes parallel zur -Achse verläuft: SmT (Wasser): 0 C Trotz Erwärmens steigt die Temperatur zunächst nicht weiter an, weil die zugeführte (Wärme-)Energie zum vollständigen Schmelzen des Feststoffes benötigt wird. Erst wenn der Feststoff vollständig geschmolzen ist, führt die weiterhin aufgenommene (Wärme-)Energie zu einer Temperaturerhöhung der Flüssigkeit. Als Siedetemperatur (SdT) wird die Temperatur festgelegt, bei der die Kurve im Temperatur- -Diagramm während der Aufheizphase der Flüssigkeit parallel zur -Achse verläuft: SdT (Wasser): 100 C Trotz Erwärmens steigt die Temperatur nicht weiter an, weil die zugeführte (Wärme-)Energie zum vollständigen Verdampfen der Flüssigkeit benötigt wird. Das gasig gewordene Wasser (= Wasserdampf) ist farblos und (wie alle Gase) durchsichtig. Erst wenn der Dampf in den etwas kälteren Bereichen oberhalb der Öffnung zu kleinen Wassertröpfchen kondensiert, sind diese Tröpfchen feinverteilt in der Luft als sog. Nebel zu erkennen. Zusammenfassendes Ergebnis: Das tiefgefrorene Wasser (= der Feststoff Eis) schmilzt (trotz weiteren Erwärmens) bei einer konstant bleibenden Temperatur von 0 C: SmT (Wasser) = 0 C Erst wenn der gesamte Feststoff geschmolzen ist, steigt beim Erwärmen die Temperatur der Flüssigkeit weiter an, bis das Wasser schließlich (trotz weiteren Erwärmens) bei einer konstant bleibenden Temperatur von 100 C siedet, also gasig wird: SdT (Wasser) = 100 C Als Dampf bezeichnet man gasig gewordene Stoffe, die bei Zimmertemperatur (20 C) fest oder flüssig sind. Gasiges Wasser (= Wasserdampf) ist farblos und durchsichtig und damit (wie Luft) nicht sichtbar (vgl. Luftfeuchtigkeit = Wasserdampf in der Luft oder Atemfeuchtigkeit = Wasserdampf in der ausgeatmeten Luft). Erst wenn das gasige Wasser wieder kondensiert, sind die in der Luft fein verteilten Tröpfchen von flüssigem Wasser, der sog. Nebel, wieder sichtbar (vgl. Atemhauch in kalter Luft bzw. an kalter Glasscheibe oder Wolken über Kühltürmen).