Den Gefrierpunkt von Wasser untersuchen
Mit Hilfe einer Messwerterfassung, bei der die Temperatur aufgezeichnet wird, soll der Gefrierpunkt von Wasser untersucht werden. Jeder weiß, dass Wasser bei 0°C erstarrt, also vom flüssigen in den festen Aggregatzustand übergeht. Beim Aggregatzustandswechsel ordnen sich die Wassermoleküle in einer Kristallstruktur an, in der jedes Wassermolekül von vier anderen Wassermolekülen umgeben ist. Die Wassermoleküle können sich nun nicht mehr frei im Raum bewegen. In einem Temperatur-Zeit-Diagramm lässt sich der Gefrierpunkt dadurch erkennen, dass die Temperatur am Gefrierpunkt für eine kurze Zeitspanne nicht weiter abfällt, sondern konstant bleibt.
Die Abbildung 1 zeigt einen möglichen Temperaturverlauf beim Abkühlen von Wasser. Es ist deutlich zu erkennen, dass bei einer Temperatur von 0°C die Temperatur für ca. 220 Sekunden konstant bleibt, bevor sie weiter sinkt. Dieses Phänomen lässt sich dadurch erklären, dass es am Gefrierpunkt zu einer Kristallbildung kommt, die verhindert, dass sich die Wassermoleküle weiterhin frei im Raum bewegen können, sondern nur noch auf ihren Plätzen hin- und herschwingen. Bei diesem Prozess wird die Bewegungsenergie in Wärmeenergie umgewandelt. Die Wärmeenergie, die während der Kristallbildung frei wird, ist für eine Zeit lang genauso groß, wie die Wärmeenergie, die von der Eismischung entzogen wird. Aus diesem Grund ist für einen kurzen Zeitraum keine Temperaturveränderung zu messen.
Der Temperaturverlauf in Abbildung 1 wird in der praktischen Durchführung jedoch nur selten gemessen. Fast immer sinkt die Temperatur einfach konstant weiter ohne das ein Aggregatzustandswechsel eintritt (Abbildung 2). Sehr reines Wasser kann noch weit unter den Gefrierpunkt von 0°C flüssig bleiben. Diese Beobachtung lässt sich darauf zurückführen, dass ein Kristallisationskeim im Wasser notwendig ist, der als Ausgangspunkt zur Bildung des Kristallgitters dient.
Abbildung 1: Temperaturverlauf beim Abkühlen von Wasser.
Abbildung 2: Häufig beobachteter Temperaturverlauf beim Abkühlen.
⬤ Die Umsetzung im Unterricht
Zur Bestimmung des Gefrierpunktes von Wasser wurde eine Unterrichtssequenz entwickelt, um den Schüler:innen die Vorgänge beim Aggregatzustandswechsel zu verdeutlichen. Dabei wird zum einen die stoffliche Ebene mit Hilfe einer Temperaturmessung verfolgt und zum anderen die Vorgänge auf Teilchenebene erläutert. Ein wichtiges Lernziel ist zu verstehen, dass beim Aggregatzustandswechsel Energie in Form von Wärme frei wird. Zu diesem Zweck wurde eine Versuchsdurchführung entwickelt, der diesen Aspekt eindrucksvoll veranschaulicht.
Mit Hilfe einer Eis-Salz-Mischung wird das Wasser in einer Plastikpipette abgekühlt und der Temperaturverlauf mit Hilfe eines Bluetooth Thermometers gemessen. Bei einer Temperatur von ‑4,5°C wird die Pipette aus der Eismischung herausgenommen und der Aggregatzustand des Wassers notiert. Es wird sich um flüssiges Wasser handeln. Im nächsten Schritt bildet sich durch kräftiges Schnipsen gegen die Pipette ein Kristallisationskeim im Wasser, der zu einem schlagartigen Erstarren des Wasser führt. Dies lässt sich durch einen sofortigen Temperaturanstieg auf 0°C verfolgen, da die Bewegungsenergie in Wärmeenergie umgewandelt wird. Im Anschluss wird die Pipette zurück in die Eismischung gestellt und die Temperatur weiter verfolgt. Durch den vorhandenen Kristallisationskeim verbleibt die Temperatur nun eine Zeit lang bei 0°C bevor sie wieder sinkt.
Abbildung 3: Herstellen der Eis-Salz-Mischung.
Abbildung 4: Temperaturverlauf aufzeichnen.
Abbildung 5: Kristillationskeim durch Schnipsen auslösen.
⬤ Die Durchfürhung des Versuchs im Video
Das folgende Video zeigt die einzelnen Arbeitsschritte des Versuchs und verdeutlicht die Aufzeichnung der Temperaturkurve während des Abkühlens.
Video 1: Durchführung des Versuchs im Video.
⬤ Die aufgezeichnete Messkurve nach der Messwerterfassung
Abbildung 6: Temperaturverlauf nach dem Ende des Schülerversuchs.
⬤ Ergänzende Hinweise zur Durchführung und den Materialien im Downloadbereich
- Es ist wichtig, dass die Eiswürfel möglichst direkt vor dem Versuch aus dem Gefrierschrank genommen werden, da angetaute Eiswürfel den Versuch verlängern.
- Am Ende der Messwerterfassung sollten die Ergebnisse der einzelnen Gruppen verglichen werden und die vier Beobachtungsphasen festgelegt werden, da diese für das Arbeitsmaterial 2 benötigt werden.
- In dem Video oben wird die Pipette mit dem gefrorenen Wasser am Ende von Phase 4 ins 20°C warme Wasser gestellt. Diesen Schritt sollten die Lernenden jedoch nicht direkt durchführen, da sie zunächst eigenständig Hypothesen entwickeln sollen, wie der Kurvenverlauf in diesem Fall aussehen könnte. Der Kurvenverlauf im Video zeigt, dass beim Schmelzen des Eises die Temperatur bei 0°C ebenfalls für einen Moment konstant bleibt, da die zugeführte Wärme dazu verwendet wird, die Wassermolekül aus dem Kristallgitter zu lösen und in Bewegung zu versetzen.
Für die Lernenden wurden mehrere Arbeitsmaterialien erstellt:
- Eine Anleitung zur Durchführung des Versuchs mit einer ergänzenden Online-Hilfe. In der Hilfe werden die Vorbereitung und die Beobachtungsphasen bildlich dargestellt. Die Online-Hilfe kann über einen QR-Code auf dem Arbeitsblatt aufgerufen werden (AB 01).
- Ein Puzzle aus Textbausteinen zur Auswertung des Versuchs. Die einzelnen Textbausteine müssen in 3er — 4er Gruppen den vier Beobachtungsphasen zugeordnet werden (AB 02 & 03).
- Ein Sicherungsarbeitsblatt, das die Ergebnisse aus der vorherigen Arbeitsphase zusammenfasst (AB 04).
- Ein vertiefender Informationstext zur Erklärung, wieso im festen Aggregatzustand eine Temperatur zu messen ist (AB 05).
Downloads und Links
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Arbeitsmaterial
Durchführung des Versuchs (01)
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Arbeitsmaterial
Ergebnissicherung des Temperaturverlaufs (02)
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Arbeitsmaterial
Auswertung des Versuchs mit Hilfe von Text- und Bildbausteinen (03)
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Arbeitsmaterial
Sicherungsarbeitsblatt am Ende der Gruppenphase (04)
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Arbeitsmaterial
Vertiefender Informationstext zur Temperaturmessung (05)
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Arbeitsmaterial
Hinweise und Lösungen für Lehrkräfte (06)
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LINK
Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Durchführung des Versuchs
Literatur
- Krause, M., Bäumer, M., Eilks, I. (2020). Messwerte bei der Abkühlung von Wasser digital erfassen — Einen Vorgang mit einem digitalen Messwertsystem verfolgen. In: Naturwissenschaften im Unterricht Chemie, 177/178, S. 28–31.