Schmelzen und Erstarren - Chemie
Schmelzen und Erstarren - Chemie
Einleitung
Schmelzen und Erstarren - Chemie behandelt zwei entgegengesetzte Phasenübergänge: Beim Schmelzen wird ein fester Stoff flüssig, beim Erstarren wird eine Flüssigkeit fest. Dabei entsteht kein neuer Stoff. Es handelt sich um eine physikalische Zustandsänderung, die durch Energieaufnahme oder Energieabgabe ausgelöst wird.
Du begegnest diesen Vorgängen täglich: Eis schmilzt im Getränk, Kerzenwachs wird an der Flamme flüssig, Wasser gefriert im Tiefkühlfach und flüssiges Metall erstarrt in einer Gussform.
In diesem aiMOOC lernst Du, die Vorgänge mit dem Teilchenmodell zu erklären, Temperaturverläufe auszuwerten, die Rolle der Schmelzenthalpie zu verstehen und Anwendungen aus Alltag, Labor und Technik zu beurteilen.
Grundbegriffe
Schmelzen ist der Übergang vom festen in den flüssigen Aggregatzustand. Der Stoff nimmt dabei Energie aus seiner Umgebung auf. Der Vorgang ist daher endotherm.
Erstarren ist der Übergang vom flüssigen in den festen Aggregatzustand. Dabei gibt der Stoff Energie an seine Umgebung ab. Der Vorgang ist daher exotherm. Bei Wasser wird häufig auch das Wort Gefrieren verwendet.
Schmelzen und Erstarren sind Umkehrvorgänge. Unter gleichen Druckbedingungen liegt die Gleichgewichtstemperatur eines reinen kristallinen Stoffes beim Schmelzen und Erstarren am selben Wert. In der Praxis können Unterkühlung, Verunreinigungen oder ein Schmelzbereich zu Abweichungen führen.
Stoff bleibt Stoff
Beim Schmelzen von Eis entstehen keine neuen Teilchen. Die Wassermoleküle bleiben Wassermoleküle. Nur ihre Anordnung und Beweglichkeit verändern sich. Deshalb lautet die Zustandsangabe in Reaktions- und Stoffformeln:
Vereinfacht kann der Vorgang für Wasser so geschrieben werden:
Der Doppelpfeil zeigt, dass beide Richtungen möglich sind.
Erklärung im Teilchenmodell
Im festen Zustand liegen die Teilchen dicht beieinander. Bei einem kristallinen Feststoff besitzen sie geordnete Plätze und schwingen um ihre Ruhelagen.
Beim Erwärmen steigt die Bewegungsenergie der Teilchen. An der Schmelztemperatur reicht die zugeführte Energie aus, um die starre Ordnung zu lockern. Die Teilchen bleiben meist dicht beieinander, können sich aber gegeneinander verschieben. Der Stoff ist nun flüssig.
Beim Abkühlen wird Energie abgegeben. Die Teilchen bewegen sich weniger stark. Beim Erstarren bilden sich feste Strukturen. In Kristallen ordnen sich die Teilchen regelmäßig an. Der Aufbau beginnt häufig an einem Kristallisationskeim, etwa an einem winzigen Kristall, einer Gefäßwand oder einer geeigneten Verunreinigung.
Was geschieht mit der Energie?
Während ein fester Stoff bis zur Schmelztemperatur erwärmt wird, steigt seine Temperatur. Beginnt das Schmelzen, wird die weiter zugeführte Energie für die Änderung der Teilchenanordnung benötigt. Bei einem reinen kristallinen Stoff und konstantem Druck bleibt die Temperatur während des Phasenübergangs daher annähernd konstant.
Beim Erstarren wird derselbe Energiebetrag wieder frei. Die Umgebung kann sich dadurch erwärmen, obwohl der Stoff selbst während des Phasenübergangs ungefähr auf seiner Erstarrungstemperatur bleibt.
Schmelztemperatur und Erstarrungstemperatur
Die Schmelztemperatur ist die Temperatur, bei der ein Stoff unter festgelegtem Druck vom festen in den flüssigen Zustand übergeht. Die Erstarrungstemperatur beschreibt den umgekehrten Übergang.
Für reines Wasser beträgt die Schmelztemperatur bei ungefähr 101,3 Kilopascal etwa 0 Grad Celsius. Ein Eis-Wasser-Gemisch zeigt deshalb bei normalem Luftdruck ungefähr diese Temperatur.
Typische Werte verdeutlichen, dass die Schmelztemperatur eine Stoffeigenschaft ist:
| Stoff | Schmelztemperatur bei Normaldruck | Hinweis |
|---|---|---|
| Wasser | etwa 0 Grad Celsius | Eis und flüssiges Wasser können gleichzeitig vorliegen |
| Aluminium | etwa 660 Grad Celsius | wichtig für Gussverfahren |
| Eisen | etwa 1538 Grad Celsius | erfordert sehr hohe Ofentemperaturen |
| Kerzenwachs | kein einzelner fester Wert | Stoffgemisch mit Schmelzbereich |
Viele kristalline Reinstoffe besitzen einen scharfen Schmelzpunkt. Stoffgemische und viele Kunststoffe werden dagegen über einen Temperaturbereich weich oder flüssig. Dieser Bereich heißt Schmelzbereich.
Einfluss des Drucks
Schmelz- und Erstarrungstemperaturen hängen vom Druck ab. Bei den meisten Stoffen steigt die Schmelztemperatur mit steigendem Druck. Wasser zeigt im gewöhnlichen Druckbereich ein besonderes Verhalten: Weil Eis eine geringere Dichte als flüssiges Wasser besitzt, kann erhöhter Druck die Schmelztemperatur etwas senken.
Ein Phasendiagramm zeigt, bei welchen Kombinationen aus Druck und Temperatur ein Stoff fest, flüssig oder gasförmig ist.
Schmelzenthalpie und Erstarrungswärme
Die Energie, die zum Schmelzen benötigt wird, heißt Schmelzenthalpie oder vereinfacht Schmelzwärme. Bezogen auf die Masse eines Stoffes gilt:
Dabei ist die aufgenommene Energie, die Masse und die spezifische Schmelzenthalpie. Ihre Einheit ist zum Beispiel Kilojoule pro Kilogramm.
In der Chemie wird häufig die molare Schmelzenthalpie verwendet:
Dabei ist die Stoffmenge und die molare Schmelzenthalpie in Kilojoule pro Mol.
Beim Erstarren wird der gleiche Energiebetrag an die Umgebung abgegeben. Das Vorzeichen ist bei einer thermodynamischen Beschreibung entgegengesetzt:
Beispielrechnung
Ein Eisstück mit einer Masse von 0,050 Kilogramm soll bei 0 Grad Celsius vollständig geschmolzen werden. Mit einer spezifischen Schmelzenthalpie von Wasser von ungefähr 334 Kilojoule pro Kilogramm ergibt sich:
Diese Energie schmilzt das Eis. Sie erwärmt das entstandene Wasser noch nicht über 0 Grad Celsius. Dafür wäre anschließend zusätzliche Energie nötig.
Unterkühlung und Kristallisation
Eine Flüssigkeit kann unter ihre normale Erstarrungstemperatur abgekühlt werden, ohne sofort fest zu werden. Dieser metastabile Zustand heißt Unterkühlung. Häufig fehlen geeignete Kristallisationskeime.
Durch Erschütterung oder Zugabe eines kleinen Kristalls kann die Erstarrung plötzlich einsetzen. Dabei wird Kristallisationsenergie frei, und die Temperatur steigt in Richtung der normalen Erstarrungstemperatur.
Ein bekanntes Beispiel ist ein wiederverwendbarer Handwärmer mit einer unterkühlten Salzlösung. Wird ein Metallplättchen geknickt, beginnt die Kristallisation. Die frei werdende Energie wird als Wärme spürbar.
Reinstoffe, Gemische und Gefrierpunktserniedrigung
Gelöste Stoffe können die Erstarrungstemperatur eines Lösungsmittels senken. Deshalb gefriert Salzwasser bei einer niedrigeren Temperatur als reines Wasser. Dieses Phänomen heißt Gefrierpunktserniedrigung.
Streusalz kann Eis schmelzen, wenn die Umgebungstemperatur nicht zu niedrig ist. Es bildet sich eine Salzlösung mit tieferer Gefriertemperatur. Der Vorgang benötigt Energie aus der Umgebung, weshalb die Mischung deutlich abkühlen kann.
Auch die Reinheit einer Probe beeinflusst eine Schmelzpunktmessung. Ein veränderter oder verbreiterter Schmelzbereich kann auf Verunreinigungen hinweisen.
Anwendungen in Alltag, Labor und Technik
Beim Kerzenwachs schmilzt Wachs nahe der Flamme. Flüssiges Wachs steigt im Docht auf, verdampft teilweise und verbrennt. Weiter entfernt von der Flamme kann Wachs wieder erstarren.
In der Metallurgie werden Metalle geschmolzen, in Formen gegossen und kontrolliert erstarrt. Die Abkühlgeschwindigkeit beeinflusst die Größe der Kristallkörner und damit Eigenschaften wie Festigkeit oder Sprödigkeit.
Weitere Anwendungen sind die Herstellung von Schokolade, das Formen von Kunststoffen, das Gefrieren von Lebensmitteln, die Wärmespeicherung in Phasenwechselmaterialien und die Bestimmung von Stoffen über ihren Schmelzpunkt.
Schulversuch: Temperaturverlauf beim Schmelzen von Eis
Fragestellung: Wie verändert sich die Temperatur, wenn Eis erwärmt und geschmolzen wird?
| Bereich | Durchführung |
|---|---|
| Material | Becherglas, zerstoßenes Eis, wenig Wasser, Thermometer, Rührstab, Wärmequelle oder warmes Wasserbad, Stoppuhr |
| Aufbau | Gib Eis und wenig Wasser in das Becherglas. Das Thermometer soll die Mischung berühren, aber nicht den Gefäßboden. |
| Messung | Erwärme vorsichtig, rühre gleichmäßig und notiere in festen Zeitabständen Temperatur und sichtbaren Zustand. |
| Auswertung | Zeichne ein Temperatur-Zeit-Diagramm. Markiere den Bereich, in dem Eis und Wasser gleichzeitig vorhanden sind. |
| Erwartung | Während des Schmelzens bleibt die Temperatur in der Nähe von 0 Grad Celsius, obwohl Energie zugeführt wird. |
Sicherheit: Trage eine Schutzbrille, arbeite vorsichtig mit Glasgeräten und heißen Wasserbädern und führe den Versuch unter Aufsicht einer Lehrkraft durch.
Beobachtung und Deutung
Vor dem Schmelzen kann sich das Eis bis nahe 0 Grad Celsius erwärmen. Während Eis und Wasser gleichzeitig vorhanden sind, verläuft die Temperaturkurve annähernd waagerecht. Nach dem vollständigen Schmelzen steigt die Temperatur des flüssigen Wassers wieder.
Die waagerechte Phase ist kein Zeichen dafür, dass keine Energie übertragen wird. Die Energie wird als Schmelzenthalpie für den Phasenwechsel genutzt.
Häufige Fehlvorstellungen
- Temperatur ist nicht Wärme: Temperatur beschreibt einen Zustand, Wärme ist übertragene Energie.
- Schmelzen ist keine chemische Reaktion: Die Stoffart bleibt erhalten.
- Teilchen schmelzen nicht: Die Anordnung und Beweglichkeit der Teilchen verändert sich.
- Kälte fließt nicht in den Stoff: Beim Abkühlen wird Energie an die Umgebung abgegeben.
- Nicht jeder Stoff hat einen scharfen Schmelzpunkt: Gemische und amorphe Stoffe besitzen oft einen Bereich.
Zusammenfassung
Schmelzen führt vom festen zum flüssigen Zustand und benötigt Energie. Erstarren führt vom flüssigen zum festen Zustand und setzt Energie frei. Das Teilchenmodell erklärt beide Vorgänge durch eine Veränderung von Ordnung, Beweglichkeit und Wechselwirkungen. Reine kristalline Stoffe zeigen bei konstantem Druck meist eine charakteristische Schmelztemperatur. Gemische besitzen häufig einen Schmelzbereich. Unterkühlung, Kristallisationskeime, Druck und gelöste Stoffe können den Ablauf beeinflussen.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Welcher Übergang wird Schmelzen genannt? (Fest zu flüssig) (!Flüssig zu fest) (!Flüssig zu gasförmig) (!Gasförmig zu fest)
Was geschieht beim Erstarren mit Energie? (Energie wird an die Umgebung abgegeben) (!Energie wird vollständig vernichtet) (!Energie wird nur als Licht gespeichert) (!Energie wird aus Teilchen neu erzeugt)
Warum bleibt die Temperatur eines reinen Stoffes beim Schmelzen zeitweise annähernd konstant? (Die Energie wird für den Phasenübergang benötigt) (!Die Wärmequelle liefert keine Energie mehr) (!Die Teilchen hören vollständig auf sich zu bewegen) (!Das Thermometer verliert seine Skala)
Wie sind Teilchen in einer Flüssigkeit angeordnet? (Sie liegen dicht beieinander und sind gegeneinander beweglich) (!Sie besitzen immer feste Gitterplätze) (!Sie sind vollständig bewegungslos) (!Sie haben grundsätzlich sehr große Abstände)
Wie heißt die Energie zum Schmelzen eines Stoffes? (Schmelzenthalpie) (!Aktivierungsvolumen) (!Kondensationsdruck) (!Ionisierungszahl)
Bei welcher Temperatur schmilzt reines Eis ungefähr bei Normaldruck? (0 Grad Celsius) (!Minus 100 Grad Celsius) (!50 Grad Celsius) (!100 Grad Celsius)
Welche Formel beschreibt die Schmelzenergie über die Masse? (Q gleich m mal q) (!Q gleich m plus q) (!Q gleich m geteilt durch Zeit) (!Q gleich Druck mal Temperatur)
Was bewirkt gelöstes Salz in Wasser meist? (Es senkt die Gefriertemperatur) (!Es erhöht die Gefriertemperatur immer auf 100 Grad) (!Es verwandelt Wasser chemisch in Eis) (!Es verhindert jede Teilchenbewegung)
Was ist Unterkühlung? (Eine Flüssigkeit bleibt unter der Erstarrungstemperatur flüssig) (!Ein Feststoff wird ohne Energie gasförmig) (!Eine Flüssigkeit erwärmt sich über den Siedepunkt) (!Ein Gas wird bei jeder Temperatur fest)
Warum ist Schmelzen ein physikalischer Vorgang? (Die Stoffart bleibt unverändert) (!Es entstehen immer neue Elemente) (!Alle Bindungen im Molekül werden dauerhaft getrennt) (!Die Masse verschwindet vollständig)
Memory
| Schmelzen | Übergang von fest zu flüssig |
| Erstarren | Übergang von flüssig zu fest |
| Schmelztemperatur | Kennwert eines Stoffes bei festgelegtem Druck |
| Schmelzenthalpie | Energieaufnahme beim Phasenwechsel |
| Kristallisationskeim | Startpunkt einer geordneten Feststoffbildung |
| Unterkühlung | Flüssiger Zustand unterhalb der Umwandlungstemperatur |
| Schmelzbereich | Temperaturintervall eines Gemisches |
| Latentwärmespeicher | Energiespeicherung durch Zustandsänderung |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Thema |
|---|---|
| Energieaufnahme | Schmelzen |
| Energieabgabe | Erstarren |
| Geordnete Gitterplätze | Kristalliner Feststoff |
| Bewegliche Nachbarteilchen | Flüssigkeit |
| Verzögerte Kristallbildung | Unterkühlung |
Kreuzworträtsel
| Schmelzen | Wie heißt der Übergang von fest zu flüssig? |
| Erstarren | Wie heißt der Übergang von flüssig zu fest? |
| Teilchen | Woraus besteht Materie im einfachen Modell? |
| Schmelzwärme | Welche Energie wird beim Flüssigwerden aufgenommen? |
| Kristallkeim | Woran kann eine geordnete Feststoffbildung beginnen? |
| Gefrierpunkt | Wie heißt die Temperatur des Festwerdens einer Flüssigkeit? |
LearningApps
Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Alltagsbeobachtung: Fotografiere drei Beispiele für Schmelzen oder Erstarren und beschreibe jeweils den Stoff, die Energieübertragung und die Zustandsänderung.
- Teilchenmodell: Zeichne denselben Stoff vor, während und nach dem Schmelzen im Teilchenmodell.
- Begriffskarte: Erstelle eine Lernkarte mit den Begriffen Schmelzen, Erstarren, Schmelztemperatur und Schmelzenthalpie.
- Kerzenwachs: Beobachte unter Aufsicht eine brennende Kerze und kennzeichne Bereiche mit festem, flüssigem und gasförmigem Wachs.
Standard
- Temperaturmessung: Führe den Eis-Schmelzversuch durch, protokolliere Messwerte und zeichne ein Temperatur-Zeit-Diagramm.
- Stoffvergleich: Recherchiere die Schmelztemperaturen von fünf sicheren Alltagsstoffen und erkläre die Unterschiede mithilfe der Teilchenkräfte.
- Erklärvideo: Produziere ein zweiminütiges Video, das die Energieaufnahme beim Schmelzen und die Energieabgabe beim Erstarren erklärt.
- Gefrierpunktserniedrigung: Plane einen Vergleichsversuch mit reinem Wasser und Salzwasser und formuliere eine begründete Hypothese.
Schwer
- Schmelzenthalpie: Berechne für verschiedene Eismassen die benötigte Schmelzenergie und stelle die Ergebnisse grafisch dar.
- Unterkühlung: Erkläre die Funktion eines Handwärmers, unterscheide metastabilen Zustand und Gleichgewicht und entwickle ein Versuchsprotokoll.
- Metallguss: Untersuche, wie Abkühlgeschwindigkeit und Kristallbildung die Eigenschaften eines gegossenen Metalls beeinflussen können.
- Phasendiagramm: Werte das Phasendiagramm von Wasser aus und erläutere, wie Druck die Grenze zwischen fest und flüssig verändert.
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Lernkontrolle
- Teilchenmodell anwenden: Erkläre, warum die Temperatur beim Schmelzen eines reinen Stoffes trotz Energiezufuhr zeitweise nicht steigt.
- Versuch auswerten: Deute eine Temperatur-Zeit-Kurve mit ansteigendem, waagerechtem und erneut ansteigendem Abschnitt.
- Alltag beurteilen: Begründe, warum Streusalz Eis schmelzen kann und nenne eine Grenze dieser Anwendung.
- Energie vergleichen: Erkläre, warum ein Getränk mit schmelzendem Eis länger kühl bleibt als ein gleich kaltes Getränk ohne Eis.
- Modellkritik: Nenne eine Stärke und eine Grenze des einfachen Teilchenmodells bei der Erklärung des Schmelzens.
- Transfer Technik: Begründe, warum kontrolliertes Erstarren bei Metallguss und Schokoladenherstellung wichtig ist.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:
- Fachbegriffe: Schmelzen, Erstarren, Schmelztemperatur, Schmelzenthalpie, Kristallisation und Unterkühlung korrekt verwendest.
- Teilchenebene: die Vorgänge mit Anordnung, Bewegung und Wechselwirkungen der Teilchen erklärst.
- Energieebene: Energieaufnahme und Energieabgabe richtig zuordnest.
- Diagrammkompetenz: Temperatur-Zeit-Kurven und einfache Phasendiagramme auswertest.
- Mathematische Anwendung: mit einfache Aufgaben löst.
- Experimentelle Kompetenz: Messungen planst, sicher durchführst, protokollierst und deutest.
- Transfer: Anwendungen aus Alltag und Technik fachlich begründet beurteilst.
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