2.3.1.1 Was passiert beim Schmelzen und Erstarren?

2.3.1.1
Was passiert beim Schmelzen und Erstarren?
S
Wie schlägt sich das in der Temperaturkurve beim Aufheizen und Abkühlen nieder, wenn ein Stoff eine
Zustandsänderung erfährt?
Aufgabe
Erwärme Natriumthiosulfat, bis es schmilzt und lass es wieder abkühlen. Miss den Temperaturverlauf in
Abhängigkeit von der Zeit bei gleichmäßiger Wärmezu- oder Abfuhr.
Material
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Cobra4 - Wireless Manager
Cobra4 - Wireless-Link
Cobra4 Sensor-Unit Temperatur, Halbleiter –20 ... +110 °C
Stativfuß, variabel
Stativstange, l = 600 mm
Doppelmuffe
Stativring mit Muffe, verzinkt
Drahtnetz mit Keramik
Löffelspatel, Kunststoff
Becherglas, 250 ml
Becherglas, 400 ml
Reagenzglas, l = 200 mm, d = 30 mm
Butanbrenner
Butan-Kartusche
Software measure für Cobra4
Natriumthiosulfat, 500 g
Siedesteinchen, 200 g
Software measure für Cobra4
Streichhölzer
12600.00
12601.00
12640.00
02001.00
02037.00
02043.00
37701.01
33287.01
38833.00
36013.00
36014.00
36304.01
32178.00
47535.00
14550.61
30169.50
36937.20
14550.61
Zusätzlich wird benötigt
1 PC mit USB-Schnittstelle, Windows XP oder höher
Abb. 1: Versuchsaufbau
1
www.phywe.de, © All rights reserved
P7105060
S
Was passiert beim Schmelzen und Erstarren?
2.3.1.1
Achtung!
1.
Beim Erwärmen des Wassers werden der Stativring und das Drahtnetz sehr heiß! Das Kabel des
Temperatursensors darf die heißen Teile nicht berühren, damit es nicht beschädigt wird.
2.
Das geschmolzene Natriumthiosulfat ist wasserlöslich, es kann in den Ausguss geschüttet und
das Reagenzglas mit Wasser gereinigt werden.
3.
Nach Abschluss des Versuches ist der Temperatursensor eventuell im Reagenzglas festgeschmolzen. Nicht mit Gewalt herausziehen, sondern das Natriumthiosulfat nochmals erwärmen,
bis es schmilzt.
Aufbau
- Baue das Stativ nach Abbildung 1 auf.
- Fülle das Reagenzglas etwa 4 cm hoch mit Natriumthiosulfat.
- Fülle in das 250-ml-Becherglas etwa 150 ml Wasser und gib einige Siedesteinchen hinein.
- Senke das Reagenzglas in das Becherglas, so dass das Natriumthiosulfat vollständig von Wasser
umgeben ist.
- Stecke den Temperatursensor bis auf den Boden des Reagenzglases.
- Fülle das 400-ml-Becherglas mit etwa 300 ml kaltem Wasser.
Durchführung
- PC und Betriebssystem Windows starten.
- Cobra4 Wireless Manager in die USB-Schnittstelle des PCs stecken.
- Softwarepaket measure am PC starten.
- Den Stecker des Temperatursensors Cobra4 Sensor-Unit Temperatur, Halbleiter –20 ... +110 °C auf
den Cobra4 Wireless-Link aufstecken.
- Den Wireless Link einschalten, der Sensor wird im „Navigator“ angemeldet.
- Lade den Versuch (Experiment > Experiment öffnen). Es werden nun alle benötigten Voreinstellungen zur Messwertaufnahme gestartet.
Abb. 2: Messfenster
2
P7105060
www.phywe.de, © All rights reserved
2.3.1.1
Was passiert beim Schmelzen und Erstarren?
S
1. Schmelzen
- Starte die Messwertaufnahme in measure z, es werden dann alle 2 Sekunden Temperaturmesswerte aufgenommen.
- Entzünde den Brenner.
- Bewege den Sensor nicht mehr während der Erwärmung.
- Wenn das Wasser zu kochen beginnt, kannst Du den Brenner so weit herunterdrehen, dass das
Wasser gerade weiterkocht.
- Lösche den Brenner, wenn alles Natriumthiosulfat in dem Reagenzglas geschmolzen ist.
2. Erstarren
- Nimm das Reagenzglas zusammen mit dem Sensor aus der Universalklemme.
- Stelle das Reagenzglas mit dem Sensor in das Becherglas mit kaltem Wasser.
- Wenn die Temperatur unter 35 °C gefallen ist und sich noch keine Kristalle gebildet haben, dann wirf
einen Kristall Natriumthiosulfat in das Reagenzglas
- Wenn die Temperatur schließlich wieder sinkt, kannst Du die Messung beenden und die Messwerte zur weiteren Analyse an das Hauptprogramm measure übertragen.
Beobachtung und Messergebnisse
Abb. 3: Verlauf der Temperatur mit der Zeit, wenn ein Reagenzglas mit Natriumthiosulfat zuerst aufgeheizt und
dann abgekühlt wird.
Auswertung
1. Markiere in der Messkurve folgende Ereignisse:
Das Natriumthiosulfat beginnt zu schmelzen (1)
Das Natriumthiosulfat ist vollständig geschmolzen (2)
Das Reagenzglas wird in das kalte Wasserbad gestellt (3)
Das Natriumthiosulfat beginnt zu kristallisieren (4)
Das Natriumthiosulfat ist vollständig kristallisiert (5)
, um in dem Diagramm die Markierungen anzubringen:
Benutze die Schaltfläche „Beschriftung“
Wenn Du dann in das Diagramm klickst, erscheint ein Fenster wie in Abb. 4. Trage den
3
www.phywe.de, © All rights reserved
P7105060
S
2.
3.
Was passiert beim Schmelzen und Erstarren?
2.3.1.1
gewünschten Text in das Feld „Text“ ein und bestätige mit „OK“, es erscheint an der Stelle, die Du
vorher gewählt hast, die Beschriftung.
, um den
Benutze das „Vermessen“-Werkzeug
Schmelzpunkt von Natriumthiosulfat aus dem Diagramm
abzulesen.
Schmelzpunkt: ................... °C.
Warum steigt die Temperatur kaum weiter an, bis
alles Salz geschmolzen ist?
......................................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................................
4.
Abb. 4: Beschriftungsfenster
Wo bleibt die Wärmemenge, die in der Zeit vom
Beginn des Schmelzens bis zum Schluss des Schmelzens von dem Reagenzglas aufgenommen
wird, wenn sich die Temperatur doch nicht erhöht?
......................................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................................
5.
Was passiert, wenn ein Kristall in die noch flüssige unterkühlte Schmelze geworfen wird?
......................................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................................
6.
Welcher Messfehler führt dazu, dass bei manchen Messungen der Temperaturverlauf zwischen (1)
und (2) und zwischen (4) und (5) im Diagramm nicht genau eine waagerechte Gerade ist?
......................................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................................
......................................................................................................................................................................
4
P7105060
www.phywe.de, © All rights reserved
2.3.1.1
Schmelz- und Erstarrungskurve
von Natriumthiosulfat
L
(Was passiert beim Schmelzen und Erstarren?)
Der Temperaturverlauf beim Schmelzen und anschließenden Erstarren von Natriumthiosulfat wird gemessen. Dabei ist deutlich zu erkennen, dass für den Schmelzvorgang Wärme erforderlich ist: Die Temperatur steigt nicht an, bis alles Salz geschmolzen ist.
Beim Erstarren wird diese Wärme wieder frei. Das ist besonders deutlich zu sehen, wenn die Schmelze
zuerst unterkühlt und durch Zugeben eines Kristallisationskeimes plötzlich erstarrt. Dabei steigt die
Temperatur wieder auf die Schmelztemperatur.
Hinweis zu Aufbau und Durchführung
1. Das im Reagenzglas festgeschmolzene Thermometer kann durch Erwärmen und nochmaliges
Schmelzen des Natriumthiosulfats gelöst werden.
2. Das wasserlösliche Natriumthiosulfat kann mit dem Abwasser entsorgt werden.
3. Der Temperatursensor sollte während der Messung der Schmelzkurve nicht bewegt werden, damit eine glatte Kurve gemessen wird – deshalb soll er bis ganz unten in das Reagenzglas gesteckt werden.
Auswertung
1. Siehe Abb. 5.
Abb. 5
2. Schmelzpunkt: 47,2 °C (Literaturwert: 48,5 °C).
3. Die Temperatur der noch vorhandenen Kristalle von Natriumthiosulfat ist geringer als der
Schmelzpunkt. Die Mischung aus Schmelze und Kristallen erwärmt sich deshalb nicht weit über
diesen Wert.
4. Die Kristalle nehmen beim Schmelzen diese Wärmemenge auf. Die zugehörige Energiemenge
ist nötig, um die Bindungen des Kristalls zu lösen. Bei der Bildung eines neuen Kristalls wird diese Wärme wieder frei.
5.
Mit einem Kristallisationskeim kann die Schmelze erstarren, die Moleküle der unterkühlten
Schmelze können sich zu Kristallen ordnen. Dabei wird die Wärme, die für das Schmelzen der Kristalle
nötig war, wieder frei. Dadurch steigt die Temperatur. Die Temperatur kann aber höchstens bis an den
5
www.phywe.de, © All rights reserved
P7105060
L
Schmelz- und Erstarrungskurve
von Natriumthiosulfat
2.3.1.1
Schmelzpunkt steigen, da sich dann keine Kristalle mehr neu bilden können. Erst wenn
keine Flüssigkeit zum Erstarren mehr da ist, wird keine weitere Wärme von der Schmelze
abgegeben und die Temperatur des jetzt vorliegenden Festkörpers beginnt zu sinken.
6. Die Temperatur ist nahe an der Reagenzglaswand etwas verschieden von der Temperatur
in der Mitte des Natriumthiosulfats, weil ein Wärmeeinstrom in das Reagenzglas beim
Schmelzen und ein Wärmeausstrom beim Erstarren herrscht. Die Position des Sensors
spielt eine Rolle.
6
P7105060
www.phywe.de, © All rights reserved

Download Report