Arbeitsblatt zum Leidenfrost-Effekt Trotz Temperaturen weit über 100 °C können Wassertropfen mehrere Sekunden auf einer heißen Oberfläche wie die der abgebildeten Pfanne (Abb. 1) bestehen und sich bewegen. Die nachfolgenden Versuche sollen Dir helfen, die Wechselwirkung mit der Oberfläche zu verstehen und mit Hilfe eines genaueren Blickes den Ursprung des Leidenfrost-Effektes aufzuklären. Abb. 1: Beobachtbarer Leidenfrost-Effekt in der Bratpfanne. Materialien (Bezugsquellen siehe Artikel) Heizrührer mit Temperaturskala bis mindestens 300 °C Aluminiumplatte (dem Durchmesser der Heizrührerplatte ungefähr angepasst) Kamera (z.B. Handykamera) Einweg-Kanüle (z.B. 0,6 * 25 mm) Einmalspritze (z.B. 50 mL) Computer mit der Freeware ImageJ 1 Stativfuß, 1 Muffe, 1 Klemme Aufbau Versuch 1 Versuch 2 Spritze Einwegkanüle Aluminiumplatte Heizrührer Abb. 2: Versuchsaufbauten. Seite 1 0 300 °C Arbeitsblatt zum Leidenfrost-Effekt arbeitsauftrag 1 Zunächst wird die saubere Aluminiumplatte auf dem ausgeschalteten Heizrührer platziert (Abb. 2 Versuch 1). Die Spritze wird mit Wasser befüllt, die Kanüle mit Sicherheitskappe aufgesetzt und mit Hilfe eines Statives oberhalb der Aluminiumplatte gemäß der Abbildung 2 fixiert. Daraufhin wird ein Wassertropfen auf die Aluminiumoberfläche aufgebracht und bei minimalem Kontakt mit der Kanüle in Position gehalten. Dabei sollte darauf geachtet werden, dass der Tropfen nicht durch die Kapillarwechselwirkung mit der mittig zu platzierenden Kanüle verzogen wird. Nun kann ein Foto vom Querschnitt des Tropfens aufgenommen werden. Das so erhaltene Foto wird auf den PC übertragen und mit der Freeware ImageJ via Drag and Drop geöffnet. Miss nun den Kontaktwinkel, wie in Abbildung 3 dargestellt. Abb. 3: Beschreibung der Methode der Kontaktwinkelmessung an einer hydrophilen Oberfläche. Notiere den gemessenen Kontaktwinkel: ____________ Auf Basis dieses Messwertes bezeichnet man die Oberfläche als hydrophil („wasserliebend“). Die Aluminium oberfläche ist mit einer dünnen Aluminiumoxidschicht Al2O3 überzogen, die mit Wasser in Kontakt tritt. Beschreibe und begründe unter Anwendung der Elektronegativitätsdifferenzen von Aluminium und Sauerstoff sowie von Wasserstoff und Sauerstoff die beobachtete Wechselwirkung von Wasser und Oberfläche! Seite 2 Arbeitsblatt zum Leidenfrost-Effekt arbeitsauftrag 2 Jetzt kann der Heizrührer auf 300 °C geregelt werden. Es ist sehr wichtig jeglichen Kontakt mit der Heizplatte, sei es mit der Kamera, der Spritze oder mit Körper und Kleidung, zu vermeiden. Wiederum wird gemäß vorheriger Anleitung und Abbildung 4 ein Wassertropfen auf die nun erhitzte Oberfläche appliziert, ein Foto aufgenommen und mit Hilfe von ImageJ ausgewertet. Notiere den gemessenen Kontaktwinkel: ____________ α Abb. 4: Kontaktwinkelmessung auf einer erhitzten Aluminiumplatte Erkläre diese Beobachtung im Vergleich zu den Ergebnissen aus Arbeitsauftrag 1! Beachte dabei die folgenden Aspekte: Beschreibe das Verhalten des Wassertropfens auf der heißen Oberfläche und betrachte genau die Kontakt zone zwischen der flüssigen und festen Phase. Lege begründet dar, ob der Ursprung der Kontaktwinkeländerung in einer chemischen Reaktion, z.B. die Oberfläche aus Al2O3 ändert sich, oder in einem Phasenwechsel, z.B. des Wassertropfens, liegt! Das nebenstehende Temperaturprofil eines Wassertropfens und der Oberfläche kann &ir bei Deinen Überlegungen helfen. Nutze die Skala, um nachzuvollziehen, warum der Tropfen nicht unmitelbar komplett verdampft! Abb. 5: Temperaturprofil eines LeidenfrostTropfens Seite 3
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