Phasenübergänge im Teilchenbild und Haltepunkte
Wie sich Teilchenabstand und Kohäsion bei Schmelzen, Erstarren, Sieden und Kondensieren ändern, warum die Temperatur dabei stehen bleibt und was Abkühlkurven und Siedeverzug zeigen.
Das Wichtigste in Kürze
- Phasenübergänge sind Wechsel zwischen fest, flüssig und gasförmig, bei denen sich im Teilchenbild der mittlere Teilchenabstand und die Wirkung der Kohäsionskräfte ändern.
- Bei der Kondensation (gasförmig → flüssig) wird der Teilchenabstand kleiner und die Kohäsion stärker, Gas- und Flüssigphase koexistieren bei konstanter Temperatur.
- Beim Schmelzen eines reinen Stoffes bleibt die Temperatur trotz Wärmezufuhr konstant (Haltepunkt), weil die Wärme als Schmelzwärme in die Phasenumwandlung fließt.
- Ein Eis-Wasser-Gemisch bleibt bei Normdruck unabhängig vom Mengenverhältnis bei 0 °C, solange beide Phasen vorliegen.
- Das Plateau einer Abkühlkurve zeigt das Auskristallisieren ohne chemische Reaktion, seine Höhe ist die Gefriertemperatur.
- Siedeverzug ist eine Verzögerung des Siedens über die Siedetemperatur hinaus, die bei fehlenden Siedekeimen in reinen Flüssigkeiten, Mischungen und Salzlösungen auch bei konstantem Druck auftritt.
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Worum es geht
Ein Stoff wechselt seinen Aggregatzustand, wenn sich Teilchenabstand und Anziehung zwischen den Teilchen ändern. Während dieses Wechsels bleibt die Temperatur eines reinen Stoffes stehen. Das macht Erwärmungs- und Abkühlkurven zu einem einfachen Werkzeug, um Schmelz- und Gefriertemperaturen zu erkennen und Stoffe zu charakterisieren.
Aggregatzustände im Teilchenbild
Ob ein Stoff fest, flüssig oder gasförmig ist, hängt von zwei Dingen ab. Wie stark ziehen sich seine Teilchen an, und wie heftig bewegen sie sich? Die Anziehung zwischen gleichartigen Teilchen heißt Kohäsion. Die Bewegung wächst mit der Temperatur, wie in Temperatur und Wärme erklärt.
- Fest: Die Teilchen sitzen auf festen Plätzen eines Gitters und schwingen nur um ihre Ruhelage. Der Abstand ist klein, die Kohäsion stark. Form und Volumen sind fest.
- Flüssig: Die Teilchen liegen dicht, aber ungeordnet und lassen sich gegeneinander verschieben. Das Volumen ist fest, die Form passt sich dem Gefäß an.
- Gasförmig: Die Teilchen sind weit voneinander entfernt. Die Kohäsion wirkt kaum noch, das Gas füllt jeden Raum.
Für jeden Wechsel zwischen den Zuständen gibt es einen eigenen Namen. Übergänge in einen geordneteren Zustand geben Energie ab. Die umgekehrten Übergänge nehmen Energie auf.
| Übergang | Richtung | Energie |
|---|---|---|
| Schmelzen | fest → flüssig | aufgenommen |
| Erstarren | flüssig → fest | abgegeben |
| Verdampfen, Sieden | flüssig → gasförmig | aufgenommen |
| Kondensieren | gasförmig → flüssig | abgegeben |
| Sublimieren | fest → gasförmig | aufgenommen |
| Resublimieren | gasförmig → fest | abgegeben |
Bei jedem dieser Übergänge ändert sich vor allem der mittlere Teilchenabstand. Damit ändert sich auch, wie stark die Kohäsionskräfte wirken. Genau dafür muss Energie fließen.
Kondensation und Dichteänderung
Bei der Kondensation geht ein Gas oder Dampf in die Flüssigkeit über. Im Teilchenbild rücken die Moleküle zusammen. Der mittlere Teilchenabstand wird kleiner. Kohäsionskräfte nehmen mit wachsendem Abstand rasch ab. Rücken die Moleküle zusammen, wirken diese Kräfte deshalb deutlich stärker. Die Moleküle halten einander fest, statt frei durch den Raum zu fliegen.
Die dabei frei werdende Energie gibt der Stoff als Kondensationswärme an die Umgebung ab. Sie ist genauso groß wie die Verdampfungswärme, die beim Verdampfen hineingesteckt wurde. Das erklärt, warum Wasserdampf so schwere Verbrennungen verursacht. Er kondensiert auf der Haut und gibt dort viel mehr Wärme ab als gleich heißes Wasser.
Solange die Kondensation läuft, liegen Gasphase und flüssige Phase nebeneinander vor. Die Temperatur bleibt dabei zeitlich konstant, obwohl ständig Wärme abfließt. Dahinter steckt dieselbe Logik wie beim Schmelzen, die der nächste Abschnitt ausführt.
Dichte bei Phasenübergängen
Mit dem Teilchenabstand ändert sich die Dichte. Beim Sieden nimmt sie stark ab. Aus einem Liter Wasser wird bei 100 °C und Normdruck weit mehr als tausendmal so viel Dampfvolumen. Beim Erstarren ändert sich die Dichte ebenfalls, beim Schmelzen in der Regel auch, aber viel weniger. Die meisten Stoffe werden beim Erstarren dichter. Wasser ist die bekannte Ausnahme: Eis ist weniger dicht als flüssiges Wasser und schwimmt deshalb (Dichteanomalie).
Schmelzen und Erstarren
Erwärmt man einen reinen Feststoff mit gleichmäßiger Heizleistung, steigt seine Temperatur zunächst stetig. An der Schmelztemperatur bleibt sie stehen, obwohl weiter Wärme zufließt. Erst wenn alles geschmolzen ist, steigt sie wieder an.
Ein Haltepunkt ist das waagerechte Stück einer Erwärmungs- oder Abkühlkurve (Temperatur gegen Zeit). Dort bleibt die Temperatur trotz Wärmezufuhr oder Wärmeentzug konstant, weil ein reiner Stoff seine Phase wechselt.
Die Temperatur ist ein Maß für die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen. Am Schmelzpunkt fließt die zugeführte Wärme nicht in schnellere Bewegung. Sie bricht stattdessen das Gitter auf. Diese Energie heißt Schmelzwärme oder Schmelzenthalpie und wird ganz für die Phasenumwandlung verbraucht. Ihre Werte behandelt die Seite Umwandlungswärmen.
Der Feststoff schmilzt dabei nicht auf einen Schlag, sondern fortschreitend. Während des Haltepunkts stehen feste und flüssige Phase im Gleichgewicht nebeneinander. Deshalb macht die Temperatur am Übergang von Eis zu Wasser keinen Sprung.
Die Erwärmungskurve von Wasser zeigt zwei Haltepunkte. Bei 0 °C schmilzt Eis, bei 100 °C siedet Wasser. Das Siedeplateau ist viel länger, weil Verdampfen je Gramm deutlich mehr Energie braucht als Schmelzen.
Wird im Examen gerne gefragt: Während ein reiner Stoff schmilzt, bleibt seine Temperatur trotz Wärmezufuhr konstant, bei Eis also bei 0 °C. Achte darauf, dass die Wärme nicht verloren geht, sondern als Schmelzwärme in die Phasenumwandlung fließt. Beim Sieden gilt dasselbe.
Das Eis-Wasser-Gemisch
Bei Normdruck stehen Eis und Wasser bei 0 °C im Gleichgewicht. Diese Temperatur hängt nicht vom Mengenverhältnis ab. Ein Glas mit viel Eis und wenig Wasser hat dieselbe Temperatur wie eines mit einem einzigen Eiswürfel. Solange beide Phasen koexistieren, bleibt das Gemisch bei 0 °C, beim Auftauen ebenso wie beim Gefrieren.
Die Gesamtmasse eines geschlossenen Eis-Wasser-Systems bleibt beim Auftauen gleich, sofern nichts verdunstet. Es verschieben sich nur die Anteile von fest und flüssig.
Liegen zwei Phasen eines reinen Stoffes nebeneinander vor, ist die Temperatur festgelegt. Sie ändert sich erst wieder, wenn eine der beiden Phasen aufgebraucht ist.
Abkühlkurven lesen
Die Abkühlkurve ist das Spiegelbild der Erwärmungskurve. Man lässt eine Schmelze Wärme an die Umgebung abgeben und trägt ihre Temperatur gegen die Zeit auf. Zuerst fällt die Temperatur. Bei der Gefriertemperatur erscheint ein waagerechtes Plateau. Hier kristallisiert der reine Stoff aus und setzt dabei Erstarrungswärme frei. Diese gleicht den Wärmeverlust aus, bis alles erstarrt ist. Danach kühlt der Feststoff weiter ab.
Am Plateau läuft keine chemische Reaktion ab. Die Teilchen ordnen sich nur zum Gitter, der Stoff bleibt derselbe. Gefrier- und Schmelztemperatur eines reinen Stoffes sind identisch.
- Achsen prüfen: Temperatur gegen Zeit, eine fallende Kurve zeigt Abkühlung.
- Plateau finden: Das waagerechte Stück ist der Erstarrungsvorgang, feste und flüssige Phase koexistieren.
- Höhe ablesen: Die Temperatur des Plateaus ist die Gefriertemperatur.
- Ordnen: Je höher das Plateau liegt, desto höher die Gefriertemperatur. Die Länge des Plateaus hängt von Menge, Erstarrungswärme und Kühlrate ab und sagt über die Gefriertemperatur nichts.
Ein Beispiel: Drei Kurven zeigen Plateaus bei 80 °C, 5 °C und −39 °C. Geordnet nach fallender Gefriertemperatur gehören sie zu Naphthalin, Benzol und Quecksilber.
Manche Kurven tauchen vor dem Plateau kurz unter die Gefriertemperatur ab. Das ist eine Unterkühlung. Die Schmelze bleibt flüssig, obwohl sie schon erstarren müsste. Setzt die Kristallisation ein, hebt die frei werdende Erstarrungswärme die Temperatur zurück auf das Plateau.
Sieden und Siedeverzug
Wasser siedet bei Normdruck (1013 hPa) bei 100 °C. Auch hier entsteht ein Haltepunkt. Die Temperatur reinen Wassers bleibt während des Siedens konstant. Die zugeführte Wärme nimmt das Wasser als Verdampfungswärme auf. Sie trennt die Moleküle voneinander, statt sie schneller zu machen. Wie die Siedetemperatur vom Druck abhängt, erklärt Siedebedingung und Autoklav.
Siedeverzug
Zum Sieden müssen sich im Inneren der Flüssigkeit Dampfblasen bilden. Eine winzige Blase hat es schwer, denn die Oberflächenspannung drückt sie sofort wieder zusammen. Blasen entstehen deshalb bevorzugt an Siedekeimen. Das sind raue Stellen, Kratzer, Staubteilchen oder kleine Gasbläschen.
Fehlen solche Keime, lässt sich eine Flüssigkeit über ihre Siedetemperatur erhitzen, ohne dass sie siedet. Das ist der Siedeverzug, eine Verzögerung des Siedens. Die überhitzte Flüssigkeit ist metastabil. Sie gleicht einer gespannten Feder, die eine kleine Störung entlädt. Dann verdampft schlagartig ein großer Teil, und die Flüssigkeit kann herausspritzen.
Beim Siedeverzug bilden sich also gerade keine Blasen unterhalb der normalen Siedetemperatur. Es ist umgekehrt: Oberhalb der Siedetemperatur bleiben sie zunächst aus. Mit einer Strömung in der Flüssigkeit hat der Begriff ebenfalls nichts zu tun.
Siedeverzug ist an keine bestimmte Flüssigkeit gebunden. Er tritt in reinen Flüssigkeiten auf, in Mischungen und in wässrigen Salzlösungen. Eine Druckerhöhung braucht er auch nicht. Er kann bei konstantem äußerem Druck eintreten, etwa im offenen Kolben auf der Heizplatte. Entscheidend ist allein, ob Siedekeime vorhanden sind.
Siedesteinchen gibt man vor dem Erhitzen in die kalte Flüssigkeit, alternativ rührt man. In eine bereits überhitzte Flüssigkeit geworfen, lösen sie selbst den Siedeverzug aus. Auch Wasser in einer glatten Tasse in der Mikrowelle kann so plötzlich aufschäumen.
Verwandte metastabile Zustände
Die Unterkühlung aus dem vorigen Abschnitt ist das Gegenstück beim Erstarren. Ein drittes Beispiel ist die übersättigte Lösung. Sie enthält mehr gelösten Stoff, als ihrer Löslichkeit entspricht. In allen drei Fällen fehlt ein Keim, an dem die neue Phase beginnen kann. Ein Impfkristall, ein Kratzer oder ein Siedesteinchen hebt diese Hemmung auf.
Quiz
Aussage 1
Ein Eis-Wasser-Gemisch mit viel Eis hat bei Normdruck im Gleichgewicht dieselbe Temperatur wie eines mit wenig Eis.
Die Gleichgewichtstemperatur beträgt bei Normdruck 0 °C und hängt nicht vom Mengenverhältnis von Eis und Wasser ab.
Aussage 2
Wenn ein Dampf kondensiert, vergrößert sich der mittlere Abstand zwischen seinen Molekülen.
Bei der Kondensation rücken die Moleküle zusammen: Der mittlere Teilchenabstand wird kleiner, die Kohäsionskräfte wirken stärker.
Aussage 3
Beim Sieden nimmt die Dichte eines Stoffes ab.
Beim Übergang in die Gasphase vergrößert sich der Teilchenabstand stark, die Dichte sinkt deutlich.
Aussage 4
Während ein reiner Feststoff schmilzt, steigt seine Temperatur bei gleichmäßiger Wärmezufuhr langsam, aber stetig an.
Während des Schmelzens bleibt die Temperatur konstant (Haltepunkt). Die zugeführte Wärme wird als Schmelzwärme für die Phasenumwandlung verbraucht.
Aussage 5
Siedeverzug ist ein Phänomen, das ausschließlich in wässrigen Salzlösungen beobachtet wird.
Siedeverzug kann in reinen Flüssigkeiten, in Mischungen und in wässrigen Salzlösungen auftreten. Entscheidend ist das Fehlen von Siedekeimen.
Aussage 6
Siedeverzug kann in einem offenen Gefäß bei konstantem äußerem Druck auftreten.
Siedeverzug braucht keine Druckerhöhung. Er entsteht, wenn Siedekeime fehlen und die Flüssigkeit über ihre Siedetemperatur erhitzt wird.
Aussage 7
Am waagerechten Plateau der Abkühlkurve einer reinen Schmelze kristallisiert der Stoff aus, ohne dass eine chemische Reaktion abläuft.
Das Plateau zeigt das Erstarren. Die Teilchen ordnen sich nur zum Gitter, der Stoff bleibt chemisch derselbe.
Aussage 8
Vergleicht man mehrere Abkühlkurven reiner Stoffe, hat der Stoff mit dem längsten Plateau die höchste Gefriertemperatur.
Maßgeblich ist die Höhe des Plateaus: Je höher es liegt, desto höher die Gefriertemperatur. Die Länge hängt von Menge, Erstarrungswärme und Kühlrate ab.
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