Lernziele
- Bestimmen Sie Schmelzen, Gefrieren und Sublimation.
Abhängig von den Umgebungsbedingungen liegt normale Materie normalerweise in einer der drei Phasen vor: fest, flüssig oder gasförmig.
Eine Phasenänderung ist ein physikalischer Prozess, bei dem ein Stoff von einer Phase in eine andere übergeht. In der Regel erfolgt die Umwandlung durch Zufuhr oder Abfuhr von Wärme bei einer bestimmten Temperatur, die als Schmelzpunkt oder Siedepunkt des Stoffes bezeichnet wird. Der Schmelzpunkt ist die Temperatur, bei der der Stoff von einem festen in einen flüssigen Zustand übergeht (oder von einem flüssigen in einen festen). Der Siedepunkt ist die Temperatur, bei der eine Substanz von einer Flüssigkeit in ein Gas übergeht (oder von einem Gas in eine Flüssigkeit). Die Art der Phasenänderung hängt von der Richtung der Wärmeübertragung ab. Wenn einem Stoff Wärme zugeführt wird, verwandelt er sich von einem Feststoff in eine Flüssigkeit oder von einer Flüssigkeit in ein Gas. Wird einer Substanz Wärme entzogen, so wird sie von einem Gas zu einer Flüssigkeit oder von einer Flüssigkeit zu einem Feststoff umgewandelt.
Zwei wichtige Punkte sind hervorzuheben. Erstens können am Schmelz- oder Siedepunkt eines Stoffes zwei Phasen gleichzeitig existieren. Nehmen wir Wasser (H2O) als Beispiel. Auf der Celsius-Skala hat H2O einen Schmelzpunkt von 0 °C und einen Siedepunkt von 100 °C. Bei 0 °C können sowohl die feste als auch die flüssige Phase von H2O nebeneinander bestehen. Wenn jedoch Wärme zugeführt wird, schmilzt ein Teil des festen H2O und wird zu flüssigem H2O. Wird Wärme entzogen, geschieht das Gegenteil: Ein Teil des flüssigen H2O verwandelt sich in festes H2O. Ein ähnlicher Prozess kann bei 100 °C stattfinden: Durch die Zufuhr von Wärme erhöht sich die Menge an gasförmigem H2O, während durch den Entzug von Wärme die Menge an flüssigem H2O steigt (Abbildung \(\PageIndex{1}\)).
Zweitens ändert sich die Temperatur eines Stoffes nicht, wenn der Stoff von einer Phase in eine andere übergeht. Mit anderen Worten: Phasenwechsel sind isotherm (isotherm bedeutet „konstante Temperatur“). Nehmen wir wieder H2O als Beispiel. Festes Wasser (Eis) kann bei 0 °C existieren. Wenn dem Eis bei 0 °C Wärme zugeführt wird, wechselt ein Teil des Feststoffs die Phase und wird flüssig, was ebenfalls 0 °C beträgt. Denken Sie daran, dass die feste und die flüssige Phase von H2O bei 0 °C nebeneinander bestehen können. Erst wenn der gesamte Feststoff zu einer Flüssigkeit geschmolzen ist, ändert die Wärmezufuhr die Temperatur des Stoffes.
Für jeden Phasenwechsel eines Stoffes gibt es eine charakteristische Wärmemenge, die benötigt wird, um den Phasenwechsel pro Gramm (oder pro Mol) des Materials durchzuführen. Die Schmelzwärme (ΔHfus) ist die Wärmemenge pro Gramm (oder pro Mol), die für eine Phasenänderung erforderlich ist, die am Schmelzpunkt stattfindet. Die Verdampfungswärme (ΔHvap) ist die Wärmemenge pro Gramm (oder pro Mol), die für eine Phasenänderung am Siedepunkt erforderlich ist. Wenn Sie die Gesamtzahl der Gramm oder Mole des Materials kennen, können Sie die ΔHfus oder die ΔHvap verwenden, um die gesamte Wärme zu bestimmen, die für das Schmelzen oder Erstarren übertragen wird, indem Sie diese Ausdrücke verwenden:
\
wobei \(n\) die Anzahl der Mole ist und \(ΔH_{fus}\) in Energie/Mol ausgedrückt wird oder
\
wobei \(m\) die Masse in Gramm ist und \(ΔH_{fus}\) in Energie/Gramm ausgedrückt wird.
Für das Sieden oder die Kondensation werden diese Ausdrücke verwendet:
\
wobei \(n\) die Anzahl der Mole ist) und \(ΔH_{dampf}\) in Energie/Mol ausgedrückt wird oder
\
wobei \(m\) die Masse in Gramm ist und \(ΔH_{dampf}\) in Energie/Gramm ausgedrückt wird.
Denken Sie daran, dass eine Phasenänderung von der Richtung der Wärmeübertragung abhängt. Wenn Wärme nach innen übertragen wird, werden feste Stoffe zu flüssigen und flüssige Stoffe zu festen Stoffen am Schmelz- bzw. Siedepunkt. Wenn Wärme nach außen übertragen wird, verfestigen sich Flüssigkeiten, und Gase kondensieren zu Flüssigkeiten.
Beispiel \(\PageIndex{1}\)
Wie viel Wärme ist erforderlich, um 55,8 g Eis (festes H2O) bei 0°C zu schmelzen? Die Schmelzwärme von H2O beträgt 79,9 cal/g.
Lösung
Wir können die Beziehung zwischen Wärme und Schmelzwärme (Gl. \(\PageIndex{1}\)b) verwenden, um zu bestimmen, wie viele Joule Wärme erforderlich sind, um dieses Eis zu schmelzen:
\ & = (55.8\: \cancel{g})\left(\dfrac{79.9\: cal}{\cancel{g}}\right)=4.460\: cal} \end{align*}\]
Übung \(\PageIndex{1}\)
Wie viel Wärme ist notwendig, um 685 g H2O bei 100°C zu verdampfen? Die Verdampfungswärme von H2O beträgt 540 cal/g.
In der Tabelle \(\PageIndex{1}\) sind die Schmelz- und Verdampfungswärmen einiger gängiger Stoffe aufgeführt. Beachten Sie die Einheiten dieser Größen; wenn Sie diese Werte bei der Lösung von Problemen verwenden, stellen Sie sicher, dass die anderen Variablen in Ihrer Berechnung in Einheiten ausgedrückt werden, die mit den Einheiten der spezifischen Wärme oder der Schmelz- und Verdampfungswärme übereinstimmen.
| Stoff | ΔHfus (cal/g) | ΔHvap (cal/g) |
|---|---|---|
| Aluminium (Al) | 94.0 | 2.602 |
| Gold (Au) | 15,3 | 409 |
| Eisen (Fe) | 63.2 | 1.504 |
| Wasser (H2O) | 79.9 | 540 |
| Natriumchlorid (NaCl) | 123.5 | 691 |
| Ethanol (C2H5OH) | 45.2 | 200.3 |
| Benzol (C6H6) | 30.4 | 94.1 |
Looking Closer: Sublimation
Es gibt auch einen Phasenwechsel, bei dem ein Feststoff direkt in ein Gas übergeht:
\
Dieser Phasenwechsel wird Sublimation genannt. Jeder Stoff hat eine charakteristische Sublimationswärme, die mit diesem Prozess verbunden ist. Zum Beispiel beträgt die Sublimationswärme (ΔHsub) von H2O 620 cal/g.
Wir begegnen der Sublimation auf verschiedene Weise. Sie kennen vielleicht schon Trockeneis, das einfach festes Kohlendioxid (CO2) ist. Bei -78,5°C (-109°F) sublimiert festes Kohlendioxid und geht direkt von der festen in die gasförmige Phase über:
\
Festes Kohlendioxid wird Trockeneis genannt, weil es nicht in die flüssige Phase übergeht. Stattdessen geht es direkt in die Gasphase über. (Kohlendioxid kann zwar flüssig sein, aber nur unter hohem Druck.) Trockeneis hat viele praktische Verwendungszwecke, darunter die langfristige Konservierung medizinischer Proben.
Selbst bei Temperaturen unter 0 °C sublimiert festes H2O langsam. So kann beispielsweise eine dünne Schnee- oder Frostschicht auf dem Boden langsam verschwinden, wenn das feste H2O sublimiert, auch wenn die Außentemperatur unter dem Gefrierpunkt von Wasser liegt. Ähnlich können Eiswürfel in einem Gefrierschrank mit der Zeit kleiner werden. Obwohl sie gefroren sind, sublimiert das feste Wasser langsam und lagert sich an den kälteren Kühlelementen des Gefrierschranks ab, was ein regelmäßiges Abtauen erforderlich macht (bei frostfreien Gefrierschränken wird diese Ablagerung minimiert). Wenn man die Temperatur in einem Gefrierschrank senkt, muss weniger oft abgetaut werden.
Unter ähnlichen Umständen sublimiert auch Wasser aus gefrorenen Lebensmitteln (z. B. Fleisch oder Gemüse) und verleiht ihnen ein unattraktives, gesprenkeltes Aussehen, das als Gefrierbrand bezeichnet wird. Dabei handelt es sich nicht wirklich um einen „Brandfleck“, und die Lebensmittel sind nicht unbedingt schlecht geworden, obwohl sie unappetitlich aussehen. Gefrierbrand kann minimiert werden, indem man die Temperatur des Gefrierschranks senkt und die Lebensmittel dicht einpackt, so dass das Wasser keinen Platz zum Sublimieren hat.
Schmelzpunkt
Flüssigkeiten ähneln Flüssigkeiten insofern, als es sich bei beiden um kondensierte Zustände handelt, bei denen die Teilchen viel enger beieinander liegen als bei Gasen. Während Flüssigkeiten jedoch flüssig sind, sind Feststoffe es nicht. Die Teilchen der meisten Feststoffe sind in einer geordneten Anordnung dicht aneinander gepackt. Die Bewegung einzelner Atome, Ionen oder Moleküle in einem Festkörper beschränkt sich auf eine Schwingungsbewegung um einen festen Punkt. Festkörper sind fast vollständig inkompressibel und stellen den dichtesten der drei Aggregatzustände dar.
Wenn ein Festkörper erhitzt wird, schwingen seine Teilchen schneller, da der Festkörper kinetische Energie aufnimmt. Schließlich beginnt die Organisation der Teilchen innerhalb der festen Struktur zu zerfallen und der Festkörper beginnt zu schmelzen. Der Schmelzpunkt ist die Temperatur, bei der sich ein Feststoff in eine Flüssigkeit verwandelt. Am Schmelzpunkt überwinden die störenden Schwingungen der Teilchen des Festkörpers die Anziehungskräfte, die innerhalb des Festkörpers wirken. Wie beim Siedepunkt hängt der Schmelzpunkt eines Festkörpers von der Stärke dieser Anziehungskräfte ab. Natriumchlorid \(\ce{NaCl} \right)\) ist eine ionische Verbindung, die aus einer Vielzahl von starken Ionenbindungen besteht. Natriumchlorid schmilzt bei \(801^\text{o} \text{C}\). Eis (fest \(\ce{H_2O}\)) ist eine molekulare Verbindung, die aus Molekülen besteht, die durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten werden. Obwohl Wasserstoffbrückenbindungen die stärksten zwischenmolekularen Kräfte sind, ist die Stärke von Wasserstoffbrückenbindungen viel geringer als die von Ionenbindungen. Der Schmelzpunkt von Eis ist \(0^\text{o} \text{C}\).
Der Schmelzpunkt eines Festkörpers ist derselbe wie der Gefrierpunkt der Flüssigkeit. Bei dieser Temperatur befinden sich der feste und der flüssige Zustand des Stoffes im Gleichgewicht. Für Wasser tritt dieses Gleichgewicht bei \(0^\text{o} \text{C}\) ein.
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Wir neigen dazu, bei Feststoffen an solche Materialien zu denken, die bei Raumtemperatur fest sind. Alle Stoffe haben jedoch eine Art Schmelzpunkt. Gase werden bei extrem niedrigen Temperaturen zu Feststoffen, und Flüssigkeiten werden ebenfalls fest, wenn die Temperatur niedrig genug ist. Die folgende Tabelle enthält die Schmelzpunkte einiger gängiger Materialien.
| Materialien | Schmelzpunkt (ºC) |
|---|---|
| Wasserstoff | -259 |
| Sauerstoff | -219 |
| Diethylether | -116 |
| Ethanol | -114 |
| Wasser | 0 |
| Reinsilber | 961 |
| Reingold | 1063 |
| Eisen | 1538 |
Übung \(\PageIndex{2}\)
- Erkläre, was passiert, wenn Wärme in einen Stoff hinein- oder aus ihm herausfließt, wenn er am Schmelzpunkt oder am Siedepunkt ist.
- Wie hängt die für eine Phasenänderung benötigte Wärmemenge mit der Masse des Stoffes zusammen?
Antwort a
Die Energie fließt in die Änderung der Phase, nicht in die der Temperatur.
Die Wärmemenge ist eine Konstante pro Gramm des Stoffes.
Zusammenfassung
- Jede Phasenänderung ist mit einer Energieänderung verbunden.
- Sublimation ist die Zustandsänderung von einem festen zu einem gasförmigen Zustand, ohne den flüssigen Zustand zu durchlaufen.
- Deposition ist die Zustandsänderung von einem Gas zu einem Feststoff.
- Kohlendioxid ist ein Beispiel für einen Stoff, der leicht sublimiert.
- Der Schmelzpunkt ist die Temperatur, bei der ein Feststoff in eine Flüssigkeit übergeht.
- Intermolekulare Kräfte haben einen starken Einfluss auf den Schmelzpunkt.
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