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Vokabular | Gleichgewicht Eutektisches Gemisch Gefrierpunktabsenkung Schmelz Punkt Phasendiagramm solut
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(Hinweis: Wenn Sie bereits mit den chemischen Potentialen vertraut sind, könnte Sie diese alternative thermodynamische Erklärung interessieren.)
Zwei Dinge passieren, wenn Eis und Wasser in Kontakt gebracht werden:
- Moleküle auf der Oberfläche des Eises entweichen in das Wasser (Schmelzen), und
- Moleküle des Wassers werden auf der Oberfläche des Eises eingefangen (Gefrieren).
Wenn die Rate des Gefrierens gleich der Rate des Schmelzens ist, ändern sich die Menge des Eises und die Menge des Wassers im Durchschnitt nicht (obwohl es kurzfristige Schwankungen an der Oberfläche des Eises gibt).Man sagt, dass sich das Eis und das Wasser in einem dynamischen Gleichgewicht zueinander befinden. Das Gleichgewicht zwischen Gefrieren und Schmelzen kann bei 0°C, dem Schmelzpunkt von Wasser, aufrechterhalten werden, es sei denn, die Bedingungen ändern sich in einer Weise, die einen der Prozesse gegenüber dem anderen begünstigt.
Wenn Sie die obige Animation nicht sehen können, ist eine nicht animierte Version verfügbar; oder Sie können das kostenlose Flash-Plugin von Macromedia herunterladen.
Das Gleichgewicht zwischen Gefrier- und Schmelzprozessen kann leicht gestört werden. Wenn das Eis-Wasser-Gemisch abgekühlt wird, bewegen sich die Moleküle langsamer. Die sich langsamer bewegenden Moleküle werden leichter vom Eis eingefangen, und das Gefrieren erfolgt schneller als das Schmelzen. Sie können dies demonstrieren, indem Sie in der Animation auf die Temperatur klicken und diese auf einen niedrigeren Wert (z. B. -10) einstellen.
Umgekehrt führt eine Erwärmung des Gemisches dazu, dass sich die Moleküle im Durchschnitt schneller bewegen, und das Schmelzen wird begünstigt. Setzen Sie die Animation zurück und geben Sie dann einen höheren Wert für die Temperatur ein (sagen wir 10) und beobachten Sie, was passiert.
Das Hinzufügen von Salz zum System wird das Gleichgewicht ebenfalls stören. Ersetzen Sie einige der Wassermoleküle durch Moleküle einer anderen Substanz. Die fremden Moleküle lösen sich im Wasser, fügen sich aber nicht so leicht in die Anordnung der Moleküle im Festkörper ein.
Versuchen Sie, die Schaltfläche „Add Solute“ in der Animation oben zu drücken. Beachten Sie, dass sich auf der flüssigen Seite weniger Wassermoleküle befinden, da ein Teil des Wassers durch Salz ersetzt wurde. Die Gesamtzahl des vom Eis aufgenommenen Wassers pro Sekunde sinkt, also sinkt auch die Gefrierrate. Die Schmelzrate bleibt durch das Vorhandensein des Fremdmaterials unverändert, so dass das Schmelzen schneller erfolgt als das Gefrieren.
Deshalb schmilzt Salz das Eis.
Um das Gleichgewicht wieder herzustellen, muss man das Eis-Salz-Wasser-Gemisch unter den üblichen Schmelzpunkt von Wasser abkühlen. Zum Beispiel liegt der Gefrierpunkt einer 1 M NaCl-Lösung bei etwa -3,4°C. Lösungen haben immer eine solche Gefrierpunktserniedrigung, die umso größer ist, je höher die Konzentration des Salzes ist.
Aber würde nach diesem Modell nicht jeder Fremdstoff eine Gefrierpunktserniedrigung verursachen? Ja! Für jedes Mol Fremdkörper, das in einem Kilogramm Wasser gelöst wird, sinkt der Gefrierpunkt um etwa 1,7-1,9°C. Zucker, Alkohol oder andere Salze senken ebenfalls den Gefrierpunkt und lassen das Eis schmelzen.
Salz wird auf Straßen und Gehwegen verwendet, weil es preiswert und leicht verfügbar ist.
Es ist wichtig zu wissen, dass die Gefrierpunktserniedrigung auftritt, weil die Konzentration der Wassermoleküle in einer Lösung geringer ist als die Konzentration in reinem Wasser. Die Art des gelösten Stoffes spielt dabei keine Rolle. Aus dem obigen Diagramm könnte man erwarten, dass gelöste Stoffe mit großen Molekülen besser in der Lage sind, Wassermoleküle zu blockieren, die sich in Richtung der Eisoberfläche bewegen. Die Hypothese, dass gelöste Stoffe mit großen Molekülen eine größere Gefrierpunktserniedrigung verursachen als solche mit kleineren Molekülen, steht nicht im Einklang mit experimentellen Daten! Das Missverständnis entsteht, weil das Diagramm nicht maßstabsgetreu gezeichnet werden kann; die Größe der Moleküle ist sehr klein im Vergleich zum Abstand zwischen ihnen.
Phasendiagramm für Salzwasser. Gezeichnet nach einem Diagramm von R. E. Dickerson (Anm. 3)
Wenn das Eis aus dem Salzwasser auszufrieren beginnt, wird der Anteil des Wassers in der Lösung geringer und der Gefrierpunkt sinkt weiter. Die niedrigste Temperatur, die für eine flüssige Salzlösung möglich ist, ist -21,1 °C. Bei dieser Temperatur beginnt das Salz zusammen mit dem Eis aus der Lösung zu kristallisieren (als NaCl-2 H2O), bis die Lösung vollständig gefriert. Die gefrorene Lösung ist ein Gemisch aus einzelnen NaCl-2H2O-Kristallen und Eiskristallen, kein homogenes Gemisch aus Salz und Wasser. Dieses heterogene Gemisch wird als eutektisches Gemisch bezeichnet.
Referenzen und Hinweise
- Beachten Sie, dass es nach dem vollständigen Schmelzen eine Weile dauern kann, bis sich wieder Eis bildet, auch wenn die Temperatur recht niedrig ist. Ein „Impfkristall“ aus Eis muss sich durch zufällige Kollisionen bilden, bevor das Kristallwachstum wirklich beginnt. Echte Flüssigkeiten können einige Zeit unterhalb ihres normalen Schmelzpunktes existieren.
- Für eine thermodynamische Erklärung der Gefrierpunktserniedrigung, siehe Wie kann die Gefrierpunktserniedrigung in Bezug auf freie Energien erklärt werden?
- Das Salzwasser-Phasendiagramm basiert auf Abbildung 6-59, S. 376 von R. E. Dickerson’s Molecular Thermodynamics (Pasadena, California), 1969.
Autor: Fred Senese [email protected]