Schnelle Moleküle abpumpen

Schnelle Moleküle abpumpen - Wasser gefrieren
CASSY - Versuch
Eine kleine Menge Wasser wird zusammen mit konzentrierter Schwefelsäure unter einer Vakuumglocke mit einer Drehschiebervakuumpumpe evakuiert. Die Temperatur des Wassers fällt
ständig ab, bis das Wasser gefriert. Der Abfall der Temperatur kann mit einem Temperaturfühler und Pocket-CASSY 2 Bluetooth verfolgt werden.
Hintergrund
Der Versuch erlaubt eine Verfeinerung des Teilchenmodells, indem auf die unterschiedliche Geschwindigkeit der einzelnen Teilchen bei einer bestimmten Temperatur eingegangen wird. Damit lässt sich auch leicht
erklären, warum Wasser bereits unter seinem Siedepunkt verdunstet.
Die Messtechnik mit Bluetooth ist äußerst elegant. Nur so können Messwerte aus dem Inneren der Vakuumglocke zum Computer geleitet werden. Der Schüler kann so das Abfallen der Temperatur miterleben.
Gefahren
Signalwort: Gefahr
Schutzbrille und Schutzhandschuhe tragen. Schwefelsäure verursacht schwere Verätzungen der Haut und
Augenschäden. Kann gegenüber Metallen korrosiv sein.
Chemikalien
•
•
Wasser
Schwefelsäure, konz. H314 H290
Materialien
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Computer mit CASSY Lab 2
Pocket CASSY 2 Bluetooth mit Akku
Temperatur-Box NiCr-Ni/NTC
Schneller Temperaturfühler NiCr-Ni mit Diodenstecker (Kat.-Nr. 666 216), eventuell zweiter Fühler
Vakuumexperimentierteller (Kat.-Nr. 378 89)
Luftpumpenglocke, beschichtet (Kat.-Nr. 378 561)
Drehschieber-Vakuumpumpe (Saugleistung 4 × 10−3 mbar)
Vakuumschlauch
Becherglas 50 ml
Porzellanschale, 6 cm
Einstellungen CASSY Lab 2
Temperatur Bereich: Messbedingungen
Aufnahme: automatisch
-20 oC .. 120 oC
Intervall
1s
Kurve Stil: Linien
-1-
© Martin Schwab
www.fachreferent-chemie.de
Schnelle Moleküle abpumpen - Wasser gefrieren
Versuchsskizze (ohne Messtechnik dargestellt)
CASSY - Versuch
Luftpumpenglocke
Becherglas mit Wasser
Schale mit Schwefelsäure, konz.
Vakuumexperimentierteller
Lüftungsventil
(beim Evakuieren geschlossen)
Zur Vakuumpumpe
Versuchsdurchführung
Der Versuch wird wie oben aufgebaut, im Becherglas sind etwa 10 - 15 ml Wasser, die Schale wird mit Schwefelsäure, konz., gefüllt.
Das lange Kabel des Messfühlers mit Kabelbinder oder Klebeband zusammenbinden, den Messfühler in die
Temperaturbox stecken.
Das Pocket-CASSY 2 Bluetooth wird mit dem Akku und der Temperaturbox verbunden, der Messfühler wird
zur Stabilisierung mit Klebeband an der Box befestigt und knapp unter der Wasseroberfläche angebracht.
Nach dem Starten der Messung wird die Vakuumpumpe angeschaltet. Nach dem Gefrieren kann die Messung beendet, die Pumpe abgestellt und die Apparatur belüftet werden.
Diagramm
-2-
© Martin Schwab
www.fachreferent-chemie.de
Schnelle Moleküle abpumpen - Wasser gefrieren
Versuchsergebnis
Erklärung
Bei einer bestimmten Temperatur sind nicht alle Moleküle gleich schnell. Es gibt in einer Flüssigkeit schnelle
und langsame Moleküle. Je niedriger die Temperatur ist, um so mehr langsame Moleküle gibt es, je höher
die Temperatur, um so mehr schnelle gibt es. Dies wird in folgender Graphik ausgedrückt:
Häufigkeit
CASSY - Versuch
Die Temperatur fällt in etwa 5 Minuten bis unter - 0 oC, bis das Wasser gefriert.
T1
T1 < T2
T2
Geschwindigkeit
Der rot unterlegte Bereich gibt die Moleküle an, deren Geschwindigkeit groß genug ist, in die Gasphase
überzutreten. Auch bei Raumtemperatur gibt es solche Moleküle, allerdings nur wenige. Deswegen verdunstet Wasser auch bei Raumtemperatur, aber sehr langsam.
Legt man ein Vakuum an, ist die Geschwindigkeit, mit der man in die Gasphase übertreten kann, noch geringer als bei Raumtemperatur. Wasser siedet bei verminderten Druck bekanntlich bei einer Temperatur unter
100 oC.
Die genügend schnellen Moleküle werden jetzt abgepumpt, die Schwefelsäure, die ebenfalls Wasser anzieht, unterstützt diesen Abpumpeffekt.
Werden die schnellen Moleküle abgepumpt, bleiben nur die langsamen übrig. Da die Temperatur auf Teilchenebene durch die Durchschnittsgeschwindigkeit der Moleküle bestimmt wird, sinkt die Temperatur.
Durch eine starke Vakuumpumpe in Kombination mit der Schwefelsäure (ohne Schwefelsäure klappt es mit
dieser Pumpenstärke nicht, dass das Wasser gefriert) kann das Wasser auf Teilchenebene so verlangsamt
werden, dass es gefriert, d.h. die Teilchen einen festen Ort haben und nur noch an diesem Ort schwingen.
Entsorgung
Die Schwefelsäure kann für die Herstellung von verdünnter Schwefelsäure genutzt werden.
Literatur
Hunter, P. W. W. ; Knoespel, S. L.: Cryophori, Hot Molecules, and Frozen Nitrogen. J. Chem. Educ. 1994, 71, 67 - 68.
-3-
© Martin Schwab
www.fachreferent-chemie.de

Download Report