Warum gefriert Meerwasser nicht bei 0 Grad Celsius?

Warum gefriert Meerwasser nicht bei 0 Grad Celsius? Übung

• Beschreibe das Experiment zum Lösen von Salz im Eiswasser.

  Tipps

  Für das Schmelzen von Eis wird Wärme benötigt.

  Wird einem Stoff Wärme entzogen, sinkt seine Temperatur.

  Wenn ein Lösungsmittel kein Salz mehr aufnehmen kann, liegt eine gesättigte Lösung vor. Weiteres Salz wird ausfallen und einen Niederschlag bilden.

  Die Löslichkeit von Salz ist von der Temperatur abhängig. Je geringer die Temperatur des Lösungsmittels, desto weniger Salz kann gelöst werden und desto länger dauert es auch, das Salz in Lösung zu bekommen.

  Lösung

  Zu jedem Versuchsprotokoll gehören auch immer eine Versuchsdurchführung und eine Beobachtung. Eine Skizze des Versuchsaufbaus erleichtert dabei das Verständnis des Vorgehens.

  Um eine Kältemischung herzustellen, brauchen wir nur drei Dinge: Wasser, Eis und einen löslichen Stoff, wie Kochsalz.

  Eis ist Wasser in gefrorener Form. Seine Temperatur liegt unter dem Gefrierpunkt des Wassers, also unter 0 °C. Mischen wir Wasser mit Eis, gleichen sich die Temperaturen des Wassers und des Eises an. Geben wir einen Überschuss an Eis hinzu, wird die Temperatur der Mischung genau beim Gefrierpunkt von Wasser stabil stehen bleiben, solange auch nur noch etwas Eis vorhanden ist.

  Gibt man nun einen löslichen Stoff wie Kochsalz ins Wasser, sinkt der Gefrierpunkt der Mischung ab. Je mehr Salz im Wasser gelöst ist, desto tiefer sinkt der Gefrierpunkt der Mischung. Bis zu dem Punkt, an dem kein Salz mehr gelöst werden kann. Dies ist bei Kochsalz bei ca. -21 °C der Fall.

• Gib die Bilder an, die den Teilchenzuständen am Gefrierpunkt mit und ohne Salz am besten entsprechen.

  Tipps

  Die Summenformel von Wasser ist $H_2O$.

  Wasser bildet im flüssigen Zustand Wasserstoffbrücken aus. Zudem ist es ein starker Dipol. Dadurch werden auch Ionen von Wassermolekülen umschlossen. Dies nennt man Solvatisierung.

  Lösung

  In einem Eiskristall sind die Wassermoleküle in einer hexagonen dreidimensionalen Struktur gebunden. Die Hohlräume entstehen durch die Eigenschaft des Wassers Wasserstoffbrücken auszubilden. Diese werden durch die gestrichelte Linie in der Struktur angedeutet.

  Am Gefrierpunkt liegt ein Gleichgewicht zwischen Wassermolekülen in der Eisstruktur und als flüssiges Wasser vor. Gibt man Ionen ins Wasser, kommt es zur Solvatisierung der Ionen durch die Wassermoleküle in der flüssigen Phase. Wasser ist ein Dipol und wird nach dem Coulomb-Gesetz Ionen stets das Molekülende mit der entgegengesetzten Ladung entgegenrichten.

  Die Wassermoleküle, die zur Solvatisierung beitragen, fehlen im bestehenden Gleichgewicht zwischen Eis und Wasser. Daher müssen Wassermoleküle die Eisstruktur verlassen, um das Gleichgewicht wiederherzustellen.

  Da hierzu Wärmeenergie benötigt wird, kühlt sich die Umgebung, also das Wasser stark ab. Gleichsam sinkt auch der Gefrierpunkt des Wassers.

• Vergleiche die Eigenschaften von Meerwasser und Trinkwasser.

  Tipps

  Welche Unterschiede zwischen Meerwasser und Trinkwasser kannst du alleine mit deiner Nase und Zunge wahrnehmen?

  Lösung

  Trinkwasser und Meerwasser unterscheiden sich in vielen Eigenschaften voneinander.

  Physiologische Eigenschaften
  Der einfachste Unterschied ist der Geschmack und auch der Geruch von Trinkwasser und Meerwasser. Während das Trinkwasser geschmacksneutral und geruchlos ist, schmeckt Meerwasser salzig und riecht auch unverkennbar nach Meer.

  Zudem unterscheidet sich auch die Wirkung auf den menschlichen Körper. Während „sauberes“ Trinkwasser ein für uns lebensnotwendiges Gut ist, vertragen wir nur in kleinsten Mengen Meerwasser. Dies liegt am Effekt der Osmose. Dabei versucht sich der Salzgehalt im Meerwasser und im Körperinneren auszugleichen. Beim Verschlucken von Salzwasser würde also Wasser aus dem Körper versuchen, das Meerwasser im Magen zu verdünnen.

  Physikalische Eigenschaften
  Während Trinkwasser den Strom nur mäßig leitet, leitet Meerwasser den Strom etwas besser, da im Meerwasser deutlich mehr freie Ionen vorliegen als im Trinkwasser. Aus dem gleichen Grund ist die Dichte des Meerwassers auch höher als die Dichte des Trinkwassers.

  Auch die Gefrierpunkte und Siedepunkte von Trinkwasser und Meerwasser unterscheiden sich.

• Ermittle die Beobachtungen und die Erklärung für das beschriebene Experiment.

  Tipps

  Um Eis zum Schmelzen zu bringen, wird Wärme benötigt.

  Wenn einem System Wärme entzogen wird, sinkt die Temperatur des Systems.

  Lösung

  Bei der Zugabe von Salz in Eiswasser schmilzt ein Teil des Eises. Für das Schmelzen des Eises wird Wärme benötigt, diese kommt aus der Umgebung.

  Dadurch sinkt nicht nur die Temperatur des Eiswassers, auch Körper innerhalb und außerhalb des Eiswassers werden abgekühlt. So gefriert das Trinkwasser im Reagenzglas und auch die Luftfeuchtigkeit gefriert außen am Eiswassergefäß.

• Nenne die Stoffe, die du benötigst, um die im Video gezeigte Kältemischung herzustellen.

  Tipps

  Eine Kältemischung besteht immer aus einem Stoff, der in zwei Aggregatzuständen vorliegt, und einem darin löslichen Stoff.

  Wasser ist ein polares Lösungsmittel.

  Lösung

  Im Video wurde eine Kältemischung aus Wasser, Eis und Kochsalz hergestellt. Kältemischungen dienen nicht nur zur Kühlung, sondern können auch, solange noch Eis vorhanden ist, die Temperatur sehr lange konstant halten. Dies ist für viele Experimente in der Chemie und Physik wichtig.

  Weitere interessante Fakten zu Kältemischungen
  Bei einer Mischung aus Wasser, Eis und Kochsalz kann man den Gefrierpunkt auf bis zu -21 °C absenken. Mit Eis und dem Salz Calciumchlorid, lassen sich Mischungen herstellen, deren Gefrierpunkt bei -50 °C liegen. Mit einem anderen Lösungsmittel und unter Zugabe von flüssigem Stickstoff als gelöstem Stoff, lassen sich theoretisch Mischungen herstellen, deren Gefrierpunkte bei bis zu -196 °C liegen.

• Rechne mit der Gefrierpunktserniedrigung.

  Tipps

  Wasser hat eine Dichte $\varrho$ von ca. $1\frac{g}{cm^3}$. Sie gibt an, wie viel ein bestimmtes Volumen eines Stoffes wiegt.

  Kochsalz ist Natriumchlorid. Die Molmasse von Natriumchlorid ist $58,44 \frac{g}{mol}$.

  Vergiss nicht, alles in SI-Einheiten umzurechnen. Die SI-Einheiten sind in diesem Fall: $kg$, $K$, $L$ und $m^3$.

  Lösung

  Die Gefrierpunktserniedrigung $\Delta T_G$ gibt an, um wie viel Kelvin der Gefrierpunkt gesenkt wurde.

  Aufgabe Teil 1
  Um die Gefrierpunktserniedrigung zu berechen, fehlen uns aber noch ein paar Größen.

  Gegeben:
  $k_G=1,853 \frac{K \cdot kg}{mol},~~V(Lm)=100mL,~~m(B)=50g=0,05kg$

  Gesucht:
  $M(B),~~m(Lm),~~\Delta T_G$

  Rechnung:
  Die molare Masse von Kochsalz ist die molare Masse von Natriumchlorid. Diese lässt sich in jedem PSE leicht ablesen: $M(NaCl)= 58,44 \frac{g}{mol}=0,05844 \frac{kg}{mol}$.

  Um die Masse des Wasser zu bestimmen, brauchen wir die Dichte des Wassers. Diese ist genau $1\frac{g}{cm^3}$. Da $1 mL=1 cm^3$ gilt, können wir die Masse nun leicht bestimmen.

  $m(Lm)=V(Lm)\cdot \varrho(Lm)=100cm^3 \cdot 1\frac{g}{cm^3}=100g = 0,1kg$

  Nun haben wir alle Werte, die wir brauchen und setzen ein.

  $\Delta T_G=\dfrac{k_G \cdot m(B)}{M(B)\cdot m(Lm)}=\dfrac{1,853 \frac{K \cdot kg}{mol} \cdot 0,050kg}{0,05844 \frac{kg}{mol}\cdot 0,1kg}\approx 15,9 K$

  Antwortsatz:
  Die Kältemischung aus Eis, Wasser und Kochsalz würde erst bei -15,9°C gefrieren.

  Aufgabe Teil 2
  Für den zweiten Aufgabenteil musst du zunächst die Gleichung nach $m(B)$ umstellen.

  $m(B)=\frac{\Delta T_G \cdot M(B)\cdot m(Lm)}{k_G}$

  Gegeben:
  Wir können wieder die Werte für $k_G$, $M(B)$ und $m(Lm)$ aus dem ersten Aufgabenteil nutzen. Für $\Delta T_G$ können wir aus der Aufgabenstellung $21 K$ ablesen.

  Gesucht:
  $m(B)$

  Rechnung:
  $m(B)=\dfrac{\Delta T_G \cdot M(B)\cdot m(Lm)}{k_G}=\dfrac{21 K \cdot 0,05844 \frac{kg}{mol}\cdot 0,1kg}{1,853 \frac{K \cdot kg}{mol}}\approx 0,066kg \approx 66g$

  Antwortsatz:
  In $100mL$ einer Kältemischung, bestehend aus Eis, Wasser und Kochsalz, die erst bei -21°C gefriert, sind ca. $66g$ Kochsalz gelöst.