Messreihen und Diagramme: Schmelz- und Siedekurven

Messreihe und Diagramm zeichnen

Bei einer Messreihe misst du eine Größe (hier die Temperatur $\vartheta$) in gleichen Zeitabständen. Du schreibst die Werte in eine Tabelle und trägst sie danach in ein Koordinatensystem ein.

Vor dem Versuch musst du zwei Dinge sinnvoll wählen:

• Temperaturbereich: Er muss den Bereich enthalten, der dich interessiert. Willst du die Schmelztemperatur von Eis finden, misst du von etwa −10 °C bis +10 °C.

• Zeitintervall: Meist reicht eine Messung pro Minute. Ändert sich die Temperatur schnell, misst du öfter, zum Beispiel alle 30 s.

Schmelzkurve und Siedekurve ablesen

Wird ein Reinstoff gleichmäßig erhitzt, hat die Messkurve einen typischen Verlauf:

1. Der Feststoff wird wärmer, die Kurve steigt.

2. Beim Schmelzen verläuft die Kurve waagerecht. Die zugehörige Temperatur ist die Schmelztemperatur.

3. Die Flüssigkeit wird wärmer, die Kurve steigt wieder.

4. Beim Sieden verläuft die Kurve erneut waagerecht. Die Temperatur dort ist die Siedetemperatur.

5. Das Gas wird wärmer, die Kurve steigt weiter.

Aus dem Diagramm liest du ab:

• Temperatur: Gehe vom waagerechten Abschnitt nach links zur y-Achse.

• Dauer: Die Länge des Abschnitts auf der x-Achse zeigt, wie lange der Vorgang dauert.

• Aggregatzustand: Vor dem Abschnitt ist der Stoff fest (beim Schmelzen) bzw. flüssig (beim Sieden). Im Abschnitt liegen beide Aggregatzustände nebeneinander vor. Danach ist der Stoff flüssig bzw. gasförmig.

Warum bleibt die Temperatur gleich?

Beim Schmelzen und Sieden führst du weiter Wärme zu, und trotzdem steigt die Temperatur nicht. Das Teilchenmodell erklärt das:

• Im Feststoff halten die Teilchen fest zusammen und schwingen nur an ihrem Platz.

• Beim Schmelzen nimmt der Stoff die zugeführte Wärme auf. Mit ihr lösen sich die Teilchen aus ihrer festen Ordnung und werden gegeneinander verschiebbar.

• Die Wärme wird also zum Lösen der Anordnung gebraucht und nicht zum Schnellerwerden der Teilchen. Deshalb steigt die Temperatur nicht.

• Beim Sieden entfernen sich die Teilchen voneinander und bilden ein Gas. Auch hier wird die Wärme für das Trennen der Teilchen verbraucht.

Erst wenn alle Teilchen den neuen Zustand erreicht haben, steigt die Temperatur wieder.

Bei einem Reinstoff sind alle Teilchen gleichartig. Sie lösen sich bei derselben Temperatur aus ihrer Ordnung, daher zeigt die Kurve einen waagerechten Abschnitt. Ein Gemisch besteht aus verschiedenen Stoffen. Diese schmelzen bzw. sieden nicht alle bei derselben Temperatur. Deshalb gibt es keinen waagerechten Abschnitt, sondern die Temperatur steigt langsam weiter.

Reinstoff oder Gemisch? Stoffe erkennen

Weil jeder Reinstoff eine feste Schmelz- und Siedetemperatur hat, kannst du ihn damit erkennen.

• Reinstoff: Die Kurve hat einen waagerechten Abschnitt.

• Gemisch: Die Temperatur steigt beim Schmelzen oder Sieden langsam weiter. Die Bestandteile haben unterschiedliche Schmelz- bzw. Siedetemperaturen und gehen nacheinander in den neuen Zustand über. Das gilt zum Beispiel für Salzwasser, dessen Siedetemperatur während des Kochens leicht ansteigt.

Mit einer Tabelle von Stoffwerten kannst du einen unbekannten Stoff finden:

Misst du einen waagerechten Abschnitt bei 100 °C, spricht das für Wasser. Eine einzige Messgröße reicht aber nicht immer. Zwei verschiedene Stoffe können ähnliche Siedetemperaturen haben. Und ein Gemisch kann eine Temperatur vortäuschen, die in der Nähe eines Tabellenwerts liegt. Deshalb sichert man das Ergebnis mit einer weiteren Eigenschaft ab, zum Beispiel Geruch (nur vorsichtig zufächeln), Dichte, Brennbarkeit oder Löslichkeit.

Sicherheit: Trage beim Erhitzen mit dem Gasbrenner immer eine Schutzbrille, binde lange Haare zusammen und fasse das heiße Becherglas nicht an. Notiere Aufbau, Durchführung, Beobachtung und Deutung im Versuchsprotokoll.

Fehlerquellen bei Messreihen:

• Wärmeverluste: Ein Teil der Wärme geht an die Umgebung. Das Becherglas sollte zum Beispiel abgedeckt sein.

• Ablesefehler: Das Thermometer muss in der Flüssigkeit stehen, ohne die Glaswand oder den Boden zu berühren.

• Zu große Zeitabstände: Dann wird ein kurzer waagerechter Abschnitt leicht übersehen.

Abkühlkurve: Erstarren

Wird eine Flüssigkeit abgekühlt, entsteht eine Erstarrungskurve. Sie verläuft wie die Schmelzkurve, nur spiegelverkehrt. Die Temperatur sinkt, bis der Stoff erstarrt, dann bleibt sie waagerecht, und erst wenn alles fest ist, sinkt sie weiter. Bei einem Reinstoff liegt die Erstarrungstemperatur bei der Schmelztemperatur. Für Wasser sind das 0 °C.

Der Unterschied liegt in der Richtung: Beim Schmelzen nehmen die Teilchen Wärme auf. Beim Erstarren geben sie Wärme an die Umgebung ab, und die Teilchen ordnen sich wieder fest an.

Auf einen Blick

• Eine Messreihe hält die Temperatur $\vartheta$ in gleichen Zeitabständen fest. Wähle Temperaturbereich und Zeitintervall passend zur Fragestellung.

• Im Diagramm steht die Zeit $t$ in min auf der x-Achse und $\vartheta$ in °C auf der y-Achse. Beschrifte beide Achsen mit Einheit und verbinde die Punkte zu einer Messkurve.

• Ein waagerechter Abschnitt zeigt die Schmelz- bzw. Siedetemperatur. Du liest sie an der y-Achse ab.

• Im waagerechten Abschnitt wird die Wärme genutzt, um die Anordnung der Teilchen zu ändern, nicht um sie schneller zu machen.

• Reinstoff: waagerechter Abschnitt. Gemisch: Temperatur steigt langsam weiter.

• Zur Identifizierung eines Stoffs reicht eine Messgröße oft nicht aus. Sichere mit einer weiteren Eigenschaft ab.

Zurück zum Anfang: Das Eis bleibt bei 0 °C, weil die zugeführte Wärme die feste Ordnung der Teilchen löst, bis alles Eis geschmolzen ist.