Sublimieren und Resublimieren - Chemie
Sublimieren und Resublimieren - Chemie
Einleitung
Beim Sublimieren geht ein Stoff direkt vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand über. Die flüssige Phase wird dabei nicht durchlaufen. Der umgekehrte Vorgang heißt Resublimieren: Ein gasförmiger Stoff wird unmittelbar fest.
Beide Vorgänge sind Phasenübergänge. Der Stoff bleibt chemisch derselbe. Es entstehen also keine neuen Stoffe. Du kannst Sublimation zum Beispiel bei Trockeneis beobachten. Resublimation spielt unter anderem bei der Bildung von Raureif eine Rolle.
Lernziele
Nach diesem aiMOOC kannst Du:
- Sublimation und Resublimation unterscheiden.
- die Vorgänge mit dem Teilchenmodell erklären.
- Beispiele aus Alltag, Natur und Technik zuordnen.
- die Bedeutung von Temperatur und Druck beschreiben.
- einfache Versuchsbeobachtungen fachsprachlich auswerten.
- wichtige Sicherheitsregeln für Trockeneis und Iod nennen.
Aggregatzustände und Phasenübergänge
Stoffe können unter geeigneten Bedingungen fest, flüssig oder gasförmig sein. Welcher Aggregatzustand vorliegt, hängt besonders von Temperatur und Druck ab.
Die üblichen Übergänge sind:
- Schmelzen: fest wird flüssig.
- Erstarren: flüssig wird fest.
- Verdampfen: flüssig wird gasförmig.
- Kondensation: gasförmig wird flüssig.
- Sublimation: fest wird direkt gasförmig.
- Resublimation: gasförmig wird direkt fest.
Bei Sublimation und Resublimation tritt keine sichtbare flüssige Zwischenphase auf.
Sublimieren
Beim Sublimieren nehmen die Teilchen eines Feststoffs Energie aus der Umgebung auf. Einige Teilchen können dadurch die Kräfte überwinden, die sie im festen Teilchenverband halten. Sie gehen direkt in die Gasphase über.
Der Vorgang ist endotherm. Das bedeutet: Der Stoff benötigt Energie.
Wortgleichung des Phasenübergangs:
Feststoff → gasförmiger Stoff
Resublimieren
Beim Resublimieren verlieren gasförmige Teilchen Energie. Sie ordnen sich zu einem festen Teilchenverband. Dabei wird Energie an die Umgebung abgegeben.
Der Vorgang ist exotherm. Das bedeutet: Energie wird frei.
Wortgleichung des Phasenübergangs:
gasförmiger Stoff → Feststoff
Raureif kann entstehen, wenn Wasserdampf an sehr kalten Oberflächen unmittelbar zu Eiskristallen wird. Nicht jede sichtbare Eisschicht entsteht jedoch ausschließlich durch Resublimation. Auch gefrierende Wassertröpfchen können Eisablagerungen bilden.
Erklärung mit dem Teilchenmodell
Im Teilchenmodell bestehen Stoffe aus kleinsten Teilchen.
Teilchen im Feststoff
In einem Feststoff liegen die Teilchen dicht beieinander. Sie besitzen feste Plätze und schwingen um diese Plätze. Zwischen ihnen wirken anziehende Kräfte.
Teilchen beim Sublimieren
Wird Energie zugeführt, bewegen sich die Teilchen stärker. Besonders energiereiche Teilchen können den festen Verband verlassen. Sie verteilen sich anschließend frei im Raum.
Teilchen beim Resublimieren
Beim Abkühlen bewegen sich gasförmige Teilchen langsamer. Treffen sie auf eine ausreichend kalte Oberfläche, können sie Energie abgeben und sich in einem festen Verband anordnen.
Merksatz: Beim Sublimieren wird Energie aufgenommen. Beim Resublimieren wird Energie abgegeben.
Temperatur, Druck und Phasendiagramm
Ein Phasendiagramm zeigt, bei welchen Temperaturen und Drücken ein Stoff fest, flüssig oder gasförmig ist. Die Grenze zwischen festem und gasförmigem Bereich heißt Sublimationskurve.
Am Tripelpunkt können feste, flüssige und gasförmige Phase eines Reinstoffs gleichzeitig im Gleichgewicht vorkommen. Unterhalb des Tripelpunktdrucks ist ein direkter Übergang zwischen fest und gasförmig möglich.
Das Phasendiagramm erklärt, warum sich Wasser und Kohlenstoffdioxid bei gleichem Außendruck unterschiedlich verhalten. Bei normalem Luftdruck kann flüssiges Wasser existieren. Kohlenstoffdioxid besitzt bei normalem Luftdruck dagegen keine stabile flüssige Phase.
Erweiterung mit Math: Sublimationsenthalpie
Die für die Sublimation benötigte Energie wird als Sublimationsenthalpie bezeichnet. Nach dem Hessschen Wärmesatz kann sie als Summe aus Schmelzenthalpie und Verdampfungsenthalpie beschrieben werden:
Für eine Stoffmenge gilt vereinfacht:
Dabei ist die aufgenommene Wärmeenergie. Bei der Resublimation wird der gleiche Energiebetrag unter vergleichbaren Bedingungen wieder frei.
Beispiel Trockeneis
Trockeneis ist festes Kohlenstoffdioxid. Bei normalem Luftdruck sublimiert es bei ungefähr −78,5 °C. Es wird direkt zu gasförmigem Kohlenstoffdioxid.
Datei:Dry ice sublimation march 29 2021.webm
Wird Trockeneis in warmes Wasser gegeben, entsteht dichter weißer Nebel. Dieser Nebel besteht nicht aus sichtbarem Kohlenstoffdioxid. Das Kohlenstoffdioxid ist farblos. Durch die starke Abkühlung kondensiert Wasserdampf zu kleinen Wassertröpfchen. Diese Tröpfchen machen den Nebel sichtbar.
Sicherheit bei Trockeneis
Trockeneis darf im Unterricht nur unter fachkundiger Aufsicht verwendet werden.
- Schutzbrille tragen.
- Trockeneis nur mit geeigneten Schutzhandschuhen oder einer Zange anfassen.
- Für gute Lüftung sorgen, da Kohlenstoffdioxid den Sauerstoff in der Raumluft verdrängen kann.
- Trockeneis niemals in einem vollständig geschlossenen Gefäß aufbewahren.
- Trockeneis nicht in den Mund nehmen und nicht direkt auf die Haut legen.
Beispiel Iod
Iod bildet bei Raumtemperatur dunkelgraue bis fast schwarze Kristalle. Beim vorsichtigen Erwärmen entsteht ein violetter Ioddampf. An einer kühleren Stelle können sich wieder feste Iodkristalle bilden.
Der Übergang von festem Iod in die Gasphase ist Sublimation. Die Bildung neuer Kristalle aus dem Ioddampf ist Resublimation.
Sicherheit bei Iod
Iod und Ioddampf können gesundheitsschädlich und reizend wirken. Ein Schulversuch mit Iod ist deshalb ein Lehrkraftversuch und wird mit sehr kleinen Stoffmengen unter einem geeigneten Abzug durchgeführt. Schutzbrille, fachgerechte Entsorgung und die schulischen Gefahrstoffregeln sind einzuhalten.
Sublimation als Trennverfahren
Sublimation kann zur Stofftrennung oder Reinigung genutzt werden. Ein sublimierbarer Stoff wird aus einem Gemisch in die Gasphase überführt. An einer gekühlten Fläche resublimiert er wieder. Nicht sublimierbare Verunreinigungen bleiben zurück.
Eine Sublimationsapparatur besitzt deshalb meist einen erwärmten Bereich und eine gekühlte Fläche. Das gereinigte Produkt sammelt sich als fester Belag oder als Kristalle an der kalten Stelle.
Anwendungen in Alltag und Technik
Gefriertrocknung
Bei der Gefriertrocknung wird ein wasserhaltiges Produkt zunächst eingefroren. Anschließend wird der Druck stark verringert. Das gefrorene Wasser sublimiert und wird als Wasserdampf entfernt.
Gefriertrocknung wird unter anderem für empfindliche Lebensmittel, biologische Proben und bestimmte Arzneimittel eingesetzt. Das Verfahren ist aufwendiger als gewöhnliches Trocknen, kann aber Struktur und empfindliche Inhaltsstoffe besser erhalten.
Natur und Haushalt
- Raureif: Wasserdampf kann an kalten Oberflächen zu Eiskristallen resublimieren.
- Gefrierfach: Wasserdampf kann sich als feste Eisschicht an kalten Wänden ablagern.
- Schnee: Eiskristalle wachsen in Wolken durch Anlagerung von Wassermolekülen aus der Gasphase.
- Gefrorene Wäsche: Eis kann bei trockener, kalter Luft allmählich sublimieren.
- Duftstoffe: Einige feste Stoffe geben bereits bei Raumtemperatur Teilchen an die Gasphase ab.
Beobachtung und Deutung
In der Chemie werden Beobachtung und Deutung getrennt.
Beobachtung bei Iod: Beim Erwärmen erscheint ein violetter Dampf. An einer kühlen Stelle entstehen dunkle, glänzende Kristalle.
Deutung: Iodteilchen gehen aus dem Feststoff in die Gasphase über und bilden beim Abkühlen erneut einen festen Teilchenverband.
Beobachtung bei Trockeneis: Das feste Material wird kleiner. Über warmem Wasser bildet sich weißer Nebel.
Deutung: Festes Kohlenstoffdioxid sublimiert. Der sichtbare Nebel besteht hauptsächlich aus kleinen Wassertröpfchen.
Häufige Fehlvorstellungen
- Sublimation ist keine chemische Reaktion. Der Stoff bleibt chemisch unverändert.
- Der Nebel über Trockeneis ist nicht gasförmiges Kohlenstoffdioxid. Sichtbar sind vor allem Wassertröpfchen.
- Kondensation und Resublimation sind verschieden. Bei der Kondensation entsteht eine Flüssigkeit, bei der Resublimation ein Feststoff.
- Nicht jeder Feststoff sublimiert gleich leicht. Die Neigung zur Sublimation hängt vom Stoff, von der Temperatur und vom Druck ab.
- Iod muss nicht ausschließlich sublimieren. Bei ausreichend hoher Temperatur kann Iod auch schmelzen. Im Schulversuch wird die deutliche Bildung von Ioddampf und die Kristallabscheidung beobachtet.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Welcher Übergang wird als Sublimation bezeichnet? (Fest zu gasförmig) (!Fest zu flüssig) (!Flüssig zu gasförmig) (!Gasförmig zu flüssig)
Welcher Übergang wird als Resublimation bezeichnet? (Gasförmig zu fest) (!Flüssig zu fest) (!Fest zu flüssig) (!Gasförmig zu flüssig)
Was geschieht energetisch beim Sublimieren? (Energie wird aufgenommen) (!Energie wird vollständig vernichtet) (!Energie wird nur als Licht abgegeben) (!Es findet kein Energieaustausch statt)
Woraus besteht Trockeneis? (Festem Kohlenstoffdioxid) (!Gefrorenem Sauerstoff) (!Gefrorenem Stickstoff) (!Festem Wasserdampf)
Woraus besteht der sichtbare Nebel über Trockeneis in warmem Wasser hauptsächlich? (Aus kleinen Wassertröpfchen) (!Aus festen Kohlenstoffteilchen) (!Aus violettem Ioddampf) (!Aus flüssigem Kohlenstoffdioxid)
Welche Aussage zum Phasendiagramm ist richtig? (Die Sublimationskurve trennt den festen und den gasförmigen Bereich) (!Die Sublimationskurve trennt nur zwei Flüssigkeiten) (!Der Tripelpunkt liegt immer bei Normaldruck) (!Der Druck hat keinen Einfluss auf Phasenübergänge)
Welche Beobachtung passt zum Erwärmen von Iod? (Es entsteht violetter Ioddampf) (!Es entsteht grüner Sauerstoff) (!Das Iod wird zu Wasser) (!Es bildet sich ausschließlich farbloses Metall)
Welche Anwendung nutzt die Sublimation von Eis unter vermindertem Druck? (Gefriertrocknung) (!Filtration) (!Neutralisation) (!Elektrolyse)
Welche Sicherheitsregel gilt für Trockeneis? (Es darf nicht in einem geschlossenen Gefäß aufbewahrt werden) (!Es soll mit bloßen Händen angefasst werden) (!Es soll in kleinen Räumen ohne Lüftung verwendet werden) (!Es darf probiert werden)
Warum ist Sublimation ein physikalischer Vorgang? (Der Stoff bleibt chemisch unverändert) (!Es entstehen immer zwei neue Elemente) (!Der Stoff verbrennt vollständig) (!Die Atome verschwinden)
Memory
| Sublimation | fest zu gasförmig |
| Resublimation | gasförmig zu fest |
| Trockeneis | festes Kohlenstoffdioxid |
| Raureif | Ablagerung von Eiskristallen |
| Sublimationsenthalpie | aufgenommene Energie |
| Gefriertrocknung | Trocknen unter vermindertem Druck |
| Sublimationsapparatur | Reinigung flüchtiger Feststoffe |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Thema |
|---|---|
| Sublimation | Feststoff wird direkt gasförmig |
| Resublimation | Gas wird direkt zum Feststoff |
| Kondensation | Gas wird flüssig |
| Schmelzen | Feststoff wird flüssig |
| Erstarren | Flüssigkeit wird fest |
Kreuzworträtsel
| Sublimation | Wie heißt der direkte Übergang vom festen in den gasförmigen Zustand? |
| Resublimation | Wie heißt der direkte Übergang vom gasförmigen in den festen Zustand? |
| Trockeneis | Wie heißt festes Kohlenstoffdioxid? |
| Raureif | Welche Eisablagerung kann durch Resublimation von Wasserdampf entstehen? |
| Tripelpunkt | Wie heißt der Punkt, an dem drei Phasen eines Reinstoffs im Gleichgewicht vorkommen? |
| Gefriertrocknung | Welches Trocknungsverfahren nutzt die Sublimation von Eis? |
LearningApps
Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Teilchenmodell: Zeichne je ein Teilchenbild für einen Feststoff und ein Gas. Ergänze Pfeile für Sublimation und Resublimation.
- Phasenübergang: Erstelle sechs Karteikarten zu Schmelzen, Erstarren, Verdampfen, Kondensieren, Sublimieren und Resublimieren.
- Alltagschemie: Suche in Deiner Umgebung nach einem möglichen Beispiel für Sublimation oder Resublimation und beschreibe es in drei Sätzen.
- Fachsprache: Formuliere je einen korrekten Merksatz zu Sublimation und Resublimation.
Standard
- Trockeneis: Erkläre in einem kurzen Erklärvideo, warum der Nebel über Trockeneis nicht aus sichtbarem Kohlenstoffdioxid besteht.
- Versuchsprotokoll: Verfasse ein Musterprotokoll für einen von der Lehrkraft vorgeführten Iodversuch mit den Abschnitten Fragestellung, Beobachtung, Deutung und Sicherheit.
- Phasendiagramm: Zeichne ein vereinfachtes Phasendiagramm und markiere festen, flüssigen und gasförmigen Bereich sowie den Tripelpunkt.
- Gefriertrocknung: Gestalte eine Infografik, die Einfrieren, Drucksenkung, Sublimation und Auffangen des Wasserdampfs erklärt.
Schwer
- Phasendiagramm von Kohlenstoffdioxid: Vergleiche die Phasendiagramme von Wasser und Kohlenstoffdioxid und erkläre das unterschiedliche Verhalten bei Normaldruck.
- Stofftrennung: Entwickle ein theoretisches Verfahren, mit dem ein sublimierbarer Feststoff von Sand getrennt werden könnte. Berücksichtige Aufbau, Beobachtung und Sicherheit.
- Thermodynamik: Erkläre mithilfe des Hessschen Wärmesatzes, warum die Sublimationsenthalpie als Summe aus Schmelz- und Verdampfungsenthalpie beschrieben werden kann.
- Naturwissenschaftliche Modellbildung: Prüfe die Aussage „Jeder Frost ist Resublimation“ und formuliere eine differenzierte Antwort mit möglichen Gegenbeispielen.
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Lernkontrolle
- Teilchenmodell und Energie: Erkläre, wie sich die Bewegung und Anordnung der Teilchen beim Sublimieren verändert und warum dafür Energie benötigt wird.
- Trockeneis und Nebel: Eine Person behauptet, der weiße Nebel über Trockeneis sei sichtbares Kohlenstoffdioxid. Widerlege die Aussage mit einer fachlichen Erklärung.
- Vergleich von Phasenübergängen: Vergleiche Kondensation und Resublimation hinsichtlich Ausgangszustand, Endzustand und Energieabgabe.
- Phasendiagramm auswerten: Beschreibe, welchen Weg ein Stoff im Phasendiagramm nimmt, wenn er bei niedrigem Druck direkt vom festen in den gasförmigen Bereich gelangt.
- Stofftrennung durch Sublimation: Begründe, welche Eigenschaften zwei Stoffe besitzen müssen, damit sie durch Sublimation voneinander getrennt werden können.
- Transfer auf den Alltag: Erkläre, warum gefrorene Wäsche auch bei Temperaturen unter 0 °C trockener werden kann.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis zu diesem Thema solltest Du zeigen, dass Du:
- Sublimation und Resublimation sicher definieren kannst.
- beide Vorgänge im Teilchenmodell erklärst.
- Energieaufnahme und Energieabgabe richtig zuordnest.
- Beobachtung und Deutung voneinander trennst.
- Trockeneis, Iod und Raureif fachlich einordnest.
- ein einfaches Phasendiagramm lesen kannst.
- Sicherheitsregeln für Trockeneis und Iod begründest.
- eine Anwendung wie Gefriertrocknung oder Stoffreinigung erklärst.
- eine neue Alltagssituation auf mögliche Sublimation oder Resublimation untersuchst.
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