Bestimmung von Schmelz- und Siedetemperaturen einfach erklärt

Stell dir vor, du möchtest Nudeln kochen und wartest darauf, dass das Wasser im Topf endlich sprudelt. Der Herd heizt auf höchster Stufe. Aber hast du dich jemals gefragt, ob das Wasser immer heißer und heißer wird, solange der Herd an ist? Oder stoppt die Temperatur irgendwann?

In der Chemie verlassen wir uns nicht aufs Raten, sondern wir messen genau nach! Bei der Bestimmung von Schmelz- und Siedetemperaturen lernst du, wie man im Labor Experimente aufbaut, um herauszufinden, bei welcher exakten Temperatur Stoffe schmelzen oder sieden, und wie man diese Messwerte wie ein echter Wissenschaftler in einem Diagramm sichtbar macht.

Vorwissen

• Aggregatzustände: Stoffe können in drei Zuständen vorliegen: fest, flüssig oder gasförmig.

  Beispiel: Eis ist festes Wasser. Wenn es schmilzt, wird es flüssig. Wenn flüssiges Wasser kocht, wird es zu gasförmigem Wasserdampf.

• Thermometer ablesen: Ein Messgerät, um die Temperatur in Grad Celsius ($\text{°C}$) zu bestimmen.

  Beispiel: Steigt die rote Flüssigkeit im Thermometer bis zur Zahl 20, beträgt die Temperatur $20 \text{ °C}$.

Aufgabentyp 1: Versuchsaufbau für Phasenübergänge

Um herauszufinden, bei welcher Temperatur ein Stoff seinen Aggregatzustand ändert (also schmilzt oder siedet), müssen wir ihn erwärmen und dabei ständig die Temperatur messen. Dafür gibt es im Labor zwei typische Aufbauten:

1. Einen Feststoff schmelzen (z. B. Eis): Wir erhitzen Eis nicht direkt über einer heißen Flamme, da das Glas sonst platzen könnte oder das Eis zu ungleichmäßig schmilzt. Stattdessen geben wir zerstoßenes Eis in ein schmales Reagenzglas. Dieses Reagenzglas stellen wir in ein größeres Becherglas, das mit warmem Wasser gefüllt ist. Das nennt man ein Wasserbad. Es wärmt das Eis ganz sanft und gleichmäßig auf. Ein Thermometer im Reagenzglas misst dabei die Temperatur.

2. Eine Flüssigkeit sieden (z. B. Wasser): Flüssigkeiten können wir in einem Becherglas direkt über einem Gasbrenner erhitzen. Hierbei gibt es aber eine Gefahr: Das Wasser könnte plötzlich explosionsartig große Blasen bilden und heiße Spritzer verteilen (das nennt man Siedeverzug). Um das zu verhindern, geben wir kleine, raue Steinchen in das Wasser – die sogenannten Siedesteinchen. Sie sorgen dafür, dass das Wasser sicher und gleichmäßig blubbert. Auch hier tauchen wir ein Thermometer in die Flüssigkeit, um die Temperatur zu überwachen.

Wir bestimmen die Siedetemperatur von Wasser

Zweck: Den genauen Siedepunkt von Wasser messen und protokollieren.

Materialien: Becherglas, Wasser, Gasbrenner, Dreifuß mit Drahtnetz, Thermometer, Stoppuhr, Siedesteinchen.

⚠️ Sicherheitshinweis: Schutzbrille tragen! Heißes Wasser und heißes Glas können zu schweren Verbrennungen führen. Lange Haare müssen zusammengebunden werden. Den Gasbrenner nur unter Aufsicht der Lehrkraft entzünden.

Durchführung:

1. Fülle das Becherglas zur Hälfte mit Wasser und gib drei bis vier Siedesteinchen hinein.

2. Stelle das Becherglas auf das Drahtnetz über den Gasbrenner und tauche das Thermometer in das Wasser.

3. Schalte den Gasbrenner ein und starte gleichzeitig die Stoppuhr.

4. Lies ab jetzt genau alle 30 Sekunden die Temperatur auf dem Thermometer ab und notiere sie in einer Tabelle.

5. Führe die Messung so lange fort, bis das Wasser stark sprudelt und die Temperatur für mindestens 3 Minuten völlig gleich bleibt.

Beobachtung: Das Wasser wird zunächst immer wärmer. Ab einer bestimmten Temperatur fängt es an zu sprudeln (es siedet). Ab diesem Moment steigt die Temperatur auf dem Thermometer nicht mehr weiter an, obwohl der Gasbrenner das Wasser weiterhin erhitzt.

Erklärung: Die Temperatur, bei der das Wasser sprudelt und die Messwerte konstant bleiben, ist die Siedetemperatur. Die zugeführte Wärme wird nun komplett genutzt, um das flüssige Wasser in gasförmigen Wasserdampf zu verwandeln, daher steigt die Temperatur nicht mehr.

Aufgabentyp 2: Erstellen und Interpretieren von Temperatur-Zeit-Diagrammen

Eine Tabelle mit vielen Zahlen ist oft unübersichtlich. Um genau zu sehen, was während unseres Experiments passiert ist, zeichnen wir ein Temperatur-Zeit-Diagramm (auch Erwärmungskurve genannt).

Dafür nutzen wir ein Koordinatensystem mit zwei Achsen:

• Auf der waagerechten Achse (x-Achse) tragen wir die Zeit ein (z. B. in Sekunden).

• Auf der senkrechten Achse (y-Achse) tragen wir die Temperatur ein (in $\text{°C}$).

Nun tragen wir jedes gemessene Zahlenpaar als ein Kreuzchen in das Diagramm ein und verbinden die Kreuze mit einer Linie.

Wenn du dir die fertige Kurve ansiehst, wirst du etwas Besonderes bemerken: Die Linie steigt zuerst an, aber sobald der Stoff anfängt zu schmelzen oder zu sieden, wird die Linie plötzlich ganz flach und waagerecht. Diese flache Stelle nennen wir ein Plateau.

Ein Plateau bedeutet: Die Zeit vergeht weiter, aber die Temperatur bleibt konstant. Genau an dieser flachen Stelle findet der Phasenübergang statt! Wenn du von diesem Plateau aus eine gerade Linie nach links zur Temperatur-Achse ziehst, kannst du die exakte Schmelz- oder Siedetemperatur ablesen.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Achsen vorbereiten: Zeichne ein Koordinatensystem. Beschrifte die x-Achse mit der Zeit und die y-Achse mit der Temperatur.
2. Messwerte eintragen: Gehe für jeden Wert in deiner Tabelle auf der x-Achse zur passenden Zeit und auf der y-Achse zur passenden Temperatur. Mache dort ein Kreuz. Verbinde am Ende alle Kreuze.
3. Das Plateau finden: Suche in deiner gezeichneten Kurve (oder direkt in der Wertetabelle) den Bereich, in dem die Temperatur über mehrere Messungen hinweg gleich bleibt.
4. Temperatur ablesen: Lies genau diesen konstanten Temperaturwert ab. Das ist deine gesuchte Schmelz- oder Siedetemperatur.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Um Siedeverzug beim Erhitzen von Flüssigkeiten zu vermeiden, nutzt man Siedesteinchen.

• Feststoffe wie Eis werden schonend in einem warmen Wasserbad geschmolzen.

• Im Temperatur-Zeit-Diagramm gehört die Zeit auf die x-Achse und die Temperatur auf die y-Achse.

• Ein Phasenübergang (Schmelzen oder Sieden) zeigt sich im Diagramm als waagerechte Linie, dem sogenannten Plateau. Hier bleibt die Temperatur konstant.