Sublimieren und Resublimieren - Physik
Sublimieren und Resublimieren - Physik
Einleitung
Sublimieren und Resublimieren - Physik behandelt zwei besondere Phasenübergänge. Beim Sublimieren wird ein fester Stoff direkt gasförmig. Beim Resublimieren wird ein gasförmiger Stoff direkt fest. Der flüssige Zustand wird jeweils übersprungen.
Du begegnest diesen Vorgängen zum Beispiel bei Trockeneis, Raureif, langsam verschwindendem Eis und der Gefriertrocknung. Entscheidend sind die Bedingungen von Temperatur, Druck und Energie.
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Grundbegriffe
Sublimieren
Beim Sublimieren geht ein Stoff unmittelbar vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand über:
Fehler beim Parsen (Syntaxfehler): {\displaystyle \mathrm{fest \longrightarrow gasförmig}}
Der Stoff schmilzt vorher nicht. Für diesen Übergang muss Energie aufgenommen werden. Sublimation ist deshalb ein endothermer Vorgang.
Beispiele sind:
- Trockeneis: Festes Kohlenstoffdioxid wird bei Normaldruck direkt gasförmig.
- Wassereis: Eis kann in kalter, trockener Luft langsam verschwinden, ohne vorher sichtbar zu schmelzen.
- Iod: Festes Iod kann unter geeigneten Bedingungen violetten Ioddampf bilden.
- Campher: Der Feststoff kann langsam in die Gasphase übergehen.
Resublimieren
Beim Resublimieren geht ein Stoff unmittelbar vom gasförmigen in den festen Zustand über:
Fehler beim Parsen (Syntaxfehler): {\displaystyle \mathrm{gasförmig \longrightarrow fest}}
Der Stoff wird nicht zuerst flüssig. Bei der Resublimation wird Energie an die Umgebung abgegeben. Der Vorgang ist exotherm. Andere Bezeichnungen sind Deposition und Desublimation.
Ein Beispiel ist die Bildung von Raureif: Wasserdampf aus der Luft kann sich bei passenden Bedingungen direkt als Eiskristall auf einer kalten Oberfläche ablagern.
Gegenüberstellung
| Vorgang | Ausgangszustand | Endzustand | Energie |
|---|---|---|---|
| Sublimieren | fest | gasförmig | wird aufgenommen |
| Resublimieren | gasförmig | fest | wird abgegeben |
Erklärung mit dem Teilchenmodell
Im festen Zustand befinden sich die Teilchen an festen Plätzen. Sie schwingen, sind aber stark aneinander gebunden. Wird Energie zugeführt, werden ihre Bewegungen stärker.
Beim Sublimieren überwinden genügend Teilchen die anziehenden Kräfte im Feststoff. Sie verlassen das Gitter und bewegen sich als Gasteilchen frei im Raum. Beim Resublimieren verlieren Gasteilchen Energie. Sie nähern sich einander und ordnen sich zu einem festen Stoff.
Der Stoff bleibt bei einem reinen Phasenübergang chemisch gleich. Festes Kohlenstoffdioxid und gasförmiges Kohlenstoffdioxid bestehen beide aus CO₂-Molekülen.
Energie beim Phasenübergang
Für eine Masse kann die benötigte Sublimationsenergie vereinfacht berechnet werden:
Dabei ist:
- : übertragene Energie
- : Masse des Stoffes
- : spezifische Sublimationsenthalpie
Während der Phasenumwandlung wird die zugeführte Energie vor allem zum Lösen der Teilchenbindungen verwendet. Sie erhöht deshalb nicht sofort die Temperatur. Bei der Resublimation wird derselbe Energiebetrag unter gleichen Bedingungen wieder frei.
Druck, Temperatur und Phasendiagramm
Ob ein Stoff schmilzt, verdampft oder sublimiert, hängt nicht nur von der Temperatur ab. Auch der Druck ist entscheidend. In einem Phasendiagramm sind die Bereiche für fest, flüssig und gasförmig eingezeichnet.
Die Grenzlinie zwischen dem festen und dem gasförmigen Bereich heißt Sublimationskurve. Wird sie in Richtung der Gasphase überschritten, sublimiert der Stoff. In Gegenrichtung resublimiert er.
Am Tripelpunkt können feste, flüssige und gasförmige Phase gleichzeitig im Gleichgewicht vorkommen. Kohlenstoffdioxid kann unterhalb seines Tripelpunktdrucks nicht als stabile Flüssigkeit vorliegen. Deshalb sublimiert Trockeneis bei normalem Luftdruck.[1]
Beispiele
Trockeneis
Trockeneis ist festes Kohlenstoffdioxid. Bei normalem Luftdruck sublimiert es bei ungefähr −78,5 °C.[2] Es entsteht keine flüssige CO₂-Pfütze. Daher stammt der Name Trockeneis.
Das gasförmige Kohlenstoffdioxid selbst ist unsichtbar. Der häufig sichtbare weiße Nebel besteht überwiegend aus kleinen Wassertröpfchen. Die kalte Umgebung des Trockeneises lässt Wasserdampf aus der Luft kondensieren.
Iod
Iod besitzt bereits unterhalb seines Schmelzpunktes einen messbaren Dampfdruck. Beim vorsichtigen Erwärmen kann festes Iod sublimieren. Der Ioddampf erscheint violett. An einer kühlen Fläche können wieder feste Iodkristalle entstehen.
Bei zu starker Erwärmung kann Iod auch schmelzen. Deshalb muss bei einer Beobachtung genau zwischen Sublimation, Schmelzen und Verdampfen unterschieden werden.
Iodversuche dürfen wegen der gesundheitsschädlichen Dämpfe nur fachgerecht, unter Aufsicht und mit geeigneter Absaugung durchgeführt werden.
Datei:Sublimation of iodine.webm
Wasser und Raureif
Auch Wasser kann sublimieren. Eis oder Schnee verliert in kalter und trockener Luft langsam Masse, obwohl die Temperatur unter dem Schmelzpunkt liegt. Deshalb kann gefrorene Wäsche im Freien trocknen.
Bei der umgekehrten Richtung kann Wasserdampf direkt Eiskristalle bilden. So kann Raureif auf sehr kalten Oberflächen entstehen. Nicht jede Eisschicht ist jedoch das Ergebnis einer Resublimation: Gefrorener Tau entsteht zuerst als flüssiges Wasser und erstarrt danach.
Anwendungen
Gefriertrocknung
Bei der Gefriertrocknung wird ein wasserhaltiges Produkt zunächst gefroren. Anschließend wird der Druck stark abgesenkt. Das Eis sublimiert und wird als Wasserdampf entfernt. Das Verfahren wird unter anderem bei Lebensmitteln, biologischen Proben und Arzneimitteln eingesetzt.
Stoffreinigung
Ein sublimierbarer Stoff kann erwärmt und an einer kühleren Stelle wieder resublimiert werden. Nicht sublimierbare Verunreinigungen bleiben zurück. Dieses Verfahren eignet sich nur, wenn die Stoffeigenschaften und Sicherheitsbedingungen genau bekannt sind.
Kühlung und Bühneneffekte
Trockeneis wird zur Kühlung verwendet, weil es sehr kalt ist und bei Normaldruck keinen flüssigen Rückstand hinterlässt. In warmem Wasser erzeugt es dichten Bodennebel. Der Effekt entsteht durch abgekühlte und kondensierte Luftfeuchtigkeit.
Sicherheit
Trockeneis darf nicht mit bloßen Händen angefasst werden, da schwere Kälteverletzungen möglich sind. Es darf niemals in einem dicht verschlossenen Behälter aufbewahrt werden: Das entstehende Gas kann einen gefährlichen Überdruck erzeugen. In schlecht belüfteten Räumen kann Kohlenstoffdioxid den Sauerstoff verdrängen. Experimente gehören deshalb in die Hände einer fachkundigen Lehrkraft und müssen gut belüftet durchgeführt werden.[3]
Häufige Fehlvorstellungen
- Trockeneisnebel: Der sichtbare weiße Nebel ist nicht das unsichtbare CO₂-Gas, sondern besteht hauptsächlich aus Wassertröpfchen.
- Sublimation und Verdampfung: Verdampfung beginnt in einer Flüssigkeit, Sublimation in einem Feststoff.
- Raureif und gefrorener Tau: Raureif kann direkt aus Wasserdampf entstehen, gefrorener Tau durchläuft zuerst den flüssigen Zustand.
- Iodexperiment: Violetter Dampf beweist allein nicht, dass die gesamte Probe sublimiert; ein Teil kann bei zu hoher Temperatur schmelzen.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Welcher Zustandswechsel beschreibt das Sublimieren? (Von fest zu gasförmig) (!Von fest zu flüssig) (!Von flüssig zu gasförmig) (!Von gasförmig zu flüssig)
Welcher Zustandswechsel beschreibt das Resublimieren? (Von gasförmig zu fest) (!Von flüssig zu fest) (!Von fest zu gasförmig) (!Von gasförmig zu flüssig)
Was wird beim Sublimieren benötigt? (Energiezufuhr) (!Lichtentzug) (!Masseverlust der Teilchen) (!Eine chemische Reaktion)
Was geschieht energetisch beim Resublimieren? (Energie wird abgegeben) (!Energie wird vernichtet) (!Masse wird in Energie umgewandelt) (!Die Temperatur muss immer steigen)
Woraus besteht Trockeneis? (Festem Kohlenstoffdioxid) (!Gefrorenem Sauerstoff) (!Gefrorenem Wasserdampf) (!Festem Stickstoff)
Warum entsteht bei Trockeneis unter Normaldruck keine Flüssigkeit? (Die Bedingungen führen direkt von fest zu gasförmig) (!Kohlenstoffdioxid besitzt keine flüssige Phase) (!Trockeneis besteht aus leerem Raum) (!Die Flüssigkeit verdunstet schon vor dem Schmelzen)
Woraus besteht der sichtbare weiße Nebel bei Trockeneis hauptsächlich? (Aus kleinen Wassertröpfchen) (!Aus sichtbaren Kohlenstoffdioxidmolekülen) (!Aus Sauerstoffkristallen) (!Aus Rauchpartikeln)
Welches Naturphänomen kann durch Resublimation entstehen? (Raureif) (!Regenbogen) (!Flüssiger Tau) (!Meeresbrandung)
Welche Linie trennt im Phasendiagramm den festen und gasförmigen Bereich? (Sublimationskurve) (!Schmelzkurve) (!Siedelinie) (!Temperaturachse)
Welche Anwendung nutzt die Sublimation von Eis bei niedrigem Druck? (Gefriertrocknung) (!Filtration) (!Destillation) (!Magnettrennung)
Memory
| Sublimation | fest zu gasförmig |
| Resublimation | gasförmig zu fest |
| Trockeneis | festes Kohlenstoffdioxid |
| Sublimationsenthalpie | Energie des direkten Phasenübergangs |
| Raureif | abgelagerte Eiskristalle |
| Tripelpunkt | drei Phasen im Gleichgewicht |
| Gefriertrocknung | Wasserentzug aus gefrorenem Material |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Beschreibung |
|---|---|
| Sublimieren | direkter Übergang von fest zu gasförmig |
| Resublimieren | direkter Übergang von gasförmig zu fest |
| Endotherm | Energie wird aus der Umgebung aufgenommen |
| Exotherm | Energie wird an die Umgebung abgegeben |
| Trockeneis | festes Kohlenstoffdioxid |
| Raureif | Eiskristalle aus Wasserdampf |
...
Kreuzworträtsel
| Trockeneis | Wie heißt festes Kohlenstoffdioxid? |
| Raureif | Welche Eiskristallschicht kann durch Resublimation entstehen? |
| Deposition | Welcher Fachbegriff ist ein anderes Wort für Resublimation? |
| Tripelpunkt | An welchem Punkt können drei Phasen im Gleichgewicht bestehen? |
| Teilchenmodell | Welches Modell erklärt die Bewegung und Anordnung kleinster Stoffbausteine? |
| Gefriertrocknung | Welches Verfahren entfernt gefrorenes Wasser durch Sublimation? |
LearningApps
Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Phasenpfeile: Zeichne die drei Aggregatzustände und markiere Sublimation sowie Resublimation mit verschieden gerichteten Pfeilen.
- Teilchenbild: Gestalte je ein Teilchenbild für einen festen Stoff und ein Gas. Erkläre den Unterschied in zwei Sätzen.
- Alltagsbeobachtung: Suche ein Beispiel für Sublimation oder Resublimation im Alltag und dokumentiere es mit einer Skizze oder einem Foto.
- Medienanalyse: Wähle ein Bild aus diesem aiMOOC und beschreibe, welcher Phasenübergang darauf zu erkennen ist.
Standard
- Erklärvideo: Produziere ein einminütiges Video, in dem Du Sublimieren und Resublimieren ohne Fachfehler erklärst.
- Phasendiagramm: Vergleiche die Phasendiagramme von Wasser und Kohlenstoffdioxid und erläutere die Bedeutung des Tripelpunktes.
- Energiefluss: Zeichne ein Energiediagramm für Sublimation und Resublimation. Kennzeichne System und Umgebung.
- Gefriertrocknung: Untersuche ein gefriergetrocknetes Produkt und erkläre, warum das Verfahren Struktur und Masse verändert.
Schwer
- Versuchsplanung: Entwickle mit einer Lehrkraft einen sicheren Versuch zu Trockeneis. Formuliere Fragestellung, Hypothese, Sicherheitsregeln und Auswertung.
- Messreihe: Entwirf eine Messung zur Massenabnahme von Trockeneis über die Zeit und begründe, welche Größen konstant gehalten werden müssen.
- Iodkritik: Erkläre, warum bei einem Iodversuch Sublimation und Schmelzen verwechselt werden können. Entwickle Kriterien für eine genaue Beobachtung.
- Transferprojekt: Erstelle einen eigenen Mini-aiMOOC über einen weiteren Phasenübergang und verknüpfe ihn mit dem Teilchenmodell.
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Lernkontrolle
- Teilchenmodell anwenden: Erkläre auf Teilchenebene, warum die Masse eines offenen Trockeneisstücks abnimmt, obwohl kein flüssiger Rückstand entsteht.
- Nebel beurteilen: Eine Person behauptet, der weiße Nebel über Trockeneis sei sichtbares CO₂. Widerlege die Aussage mit einer physikalischen Begründung.
- Energie vergleichen: Vergleiche die Energieübertragung beim Sublimieren und Resublimieren und erläutere die Rolle der Umgebung.
- Phasendiagramm deuten: Begründe mithilfe eines Phasendiagramms, warum Druckänderungen den möglichen Phasenübergang verändern können.
- Naturphänomene unterscheiden: Entwickle eine Beobachtungsregel, mit der Raureif und gefrorener Tau unterschieden werden können.
- Verfahren bewerten: Beurteile, wann Gefriertrocknung gegenüber normalem Verdunsten vorteilhaft sein kann.
Lernnachweis
Für einen erfolgreichen Lernnachweis solltest Du:
- Sublimieren und Resublimieren fachsprachlich korrekt definieren.
- beide Vorgänge im Teilchenmodell erklären.
- Energieaufnahme und Energieabgabe richtig zuordnen.
- die Bedeutung von Temperatur, Druck, Sublimationskurve und Tripelpunkt erläutern.
- Beispiele wie Trockeneis, Raureif, Iod und Gefriertrocknung beurteilen.
- typische Fehlvorstellungen erkennen und korrigieren.
- Sicherheitsregeln bei Trockeneis und Iod begründen.
- eine Beobachtung oder ein Experiment strukturiert auswerten.
Quellen und Nachweise
OERs zum Thema
Verknüpfte Lernbereiche
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THE MONKEY DANCE
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