In diesem Experiment soll der Temperaturverlauf beim Erwärmen und Abkühlen von Natriumthiosulfat untersucht werden. Dabei werden die folgenden drei Punkte betrachtet:
Wie sieht der Temperaturverlauf des Natriumthiosulfats beim Erwärmen auf ca. 60 °C aus?
Wie sieht der Temperaturverlauf des Natriumthiosulfats beim Abkühlen auf ca. 35 °C aus?
Was verändert sich bezüglich des Temperaturverlaufes, wenn man zu dem von 60 °C auf 35 °C abgekühlten Natruimthiosulfat einen Natriumthiosulfat-Kristall (Impfkristall) hinzugibt?
2 Theoretische Grundlage
Das Natriumthiosulfat liegt im festen Zustand in Form von farblosen Kristallen vor. Es ist auch unter dem Namen Fixiersalz bekannt.
2.1 Physikalische und chemische Grössen von Natriumthiosulfat (Na2S2O3)
Der Schmelzpunkt liegt bei etwa 45 °C. (Wenn man die Flüssigkeit abkühlt, so kann sie auch noch bei 35 °C flüssig sein). Eine kleine Störung kann allerdings den sofortigen Erstarrungsprozess (Kristallisierung) einleiten.
Natriumthiosulfat siedet ab etwa 100 °C.
3 Versuchsaufbau
In ein Reagenzglas füllt man ca. 4 cm hoch Natruimthiosulfat ein. Dieses Reagenzglas und ein Thermometer spannt man in ein Stativ ein und steckt das Thermometer so in die Chemikalie, dass dieses die Wand des Reagenzglases berühren kann. Das Reagenzglas wird in ein Becherglas mit Leitungswasser getaucht, welches auf einem Dreibein steht.
Darunter wird ein Bunsenbrenner platziert, welcher das Wasser im Becherglas erwärmt und das Natriumthiosulfat somit im Wasserbad schmelzen lässt. Ein zweites Becherglas mit Leitungswasser wird dazu benötigt um das erhitzte Natriumthiosulfat wieder abzukühlen.
Abbildung 1: Versuchsaufbau im Labor
4 Auswertung
4.1 Messwerte
Abbildung 2: Die Messwerte aus unserem Versuch
Resultate und Erklärung
Bei der Betrachtung der Messwerte fällt auf, dass die Kurve nicht immer gleich stark ansteigt. Es bilden sich ein Plateau bei ca. 44 °C, da bei ungefähr 44 °C der Schmelzpunkt erreicht ist. Hier fliesst die gesamte Wärmeenergie in die Auflösung der Gitterstruktur von Natriumthiosulfat (Dissoziationsenergie).
Das bedeutet, die einzelnen Moleküle lösen sich aus der festen Gitteranordnung, welche bei Salzen typisch ist. Wärmemengen, die einem Stoff bei einer Umwandlung des Aggregatzustandes zu- oder abgeführt werden, ohne dass sich die Temperatur dabei ändert, heissen latente (verborgene) Wärmemengen.
Nachdem der Schmelzpunkt erreicht wurde, steigt die Temperatur des Natriumthiosulfats wieder relativ gleichmässig an. Beim Abkühlungsprozess, der in unserem Fall erst bei ca. 90 °C gestartet werden konnte, weil das Natriumthiosulfat noch nicht komplett geschmolzen war, entzieht das Leitungswasser dem Natriumthiosulfat die aufgenommene Energie wieder.
Die Abkühlung bis unter den Schmelzpunkt, auf ca. 35 °C, nennt man unterkühlte Schmelze. Bei ungefähr 36 °C haben wir einen zusätzlichen Natriumthiosulfatkristall als Kristallisationskeim (Impfkristall) beigefügt und zusätzlich haben wir noch einmal stark an das Reagenzglas geklopft.
Die Wärmeenergie, die beim Schmelzen beigefügt wurde, wird nun in Form von Kristallisationsenergie (Wärme) frei. Um den Impfkristall beginnt die Kristallisation. Die Temperatur steigt durch die Abgabe der Kristallisationswärme wider auf ca. 44 °C. Das Natriumthiosulfat würde sich ab diesem Zeitpunkt ganz langsam durch den Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft abkühlen.
Diskussion
Beim Vergleich unserer Daten mit den Literatur-werten fällt auf, dass wir das Natriumthiosulfat höher erhitzt haben. Dies haben wir aufgrund dessen getan, weil noch nicht das ganze Natriumthiosulfat geschmolzen war um die 60 °C Marke. Ansonsten stimmen unsere Messwerte relativ exakt mit den Literaturwerten überein.
Quellen:
Schmelzwärme von Eis 1. Fragestellung
Wie viel Wärme wird benötigt um Eis zu schmelzen? (Welches ist die spezifische Schmelzwärme von Wasser?) 2. Theorie
Physikalische Grössen bei Workshop 6
ϑ1 : Anfangstemperatur V1 : Anfangsvolumen ϑM : Mischtemperatur V2 : Endvolumen m1 : Masse warmes Wasser m2 : Masse des Eises ϑEis : Temperatur des Eises Lf : Schmelzwärme von Wasser p : Dichte von Wasser
Messverfahren Angewandte Messverfahren beim Workshop 6 waren das Messen vom Volumen mit einem Messzylinder und dem Messen der Temperatur mit einem Thermometer. Das Gewicht der zugegebenen Eisstücke wurde mit Hilfe einer Waage bestimmt. 3. Versuchsablauf
Materialien Kalorimeter Hammer Glasstab analoges Thermometer Messzylinder warmes Wasser 150 ml Eiswürfel 30g
Durchführung
Zuerst einmal haben wir 150 ml von 35°C warmem Wasser in einem Messzylinder abgemessen und in den Kalorimeter gegossen. Das Wasser wurde dann ca. 1 Minute lang mit einem Glasstab gerührt, danach konnten wir die Anfangstemperatur Messen. Das Eis, welches wir zu Beginn des Experiments mit dem Hammer zerkleinert haben, haben wir mit einem Tuch leicht abgetrocknet und dann 30g davon in dem Kalorimeter gegeben.
Als das ganze Eis geschmolzen war, haben wir die Mischtemperatur gemessen und schlussendlich noch das Endvolumen. 4. Messwerte
5. Berechnungen
m1 = p · V1 = 1,0 g/ml · 180,9ml = 180,9g = Masse warmes Wasser m2 = p · (V2-V1)= 1,0 g/ml · 30,7ml= 30,7g = Masse warmes Eises
Fehlerquellen bei Mischtemperatur: - Kalorimeter ist kein geschlossenens System -> Wärmeabgabe an die Umgebung - Eis nicht unbedingt 0°C. Innen haben die Eisstücke eine tiefere Temperatur, als aussen.
Spezifische Schmelzwärme von Wasser Lf Literaturwert c= 4,19(Formelbuch S. 191) Lf== Lf= 246,2887= 2,463· 105 6. Vergleich mit Literaturwert
Wir untersuchen die Volumenausdehnung von Luft bei verschiedenen Temperaturen.
Theorie
Physikalische Grössen
Gase lassen sich durch Temperatur, Druck und Volumen beschreiben. Man spricht dabei von Zustandsgrössen des Gases. Wenn der Druck eines Gases während der Erwärmung konstant bleibt, so dehnt sich das Volumen des Gases proportional zur Temperatur aus. Gemäss dem Gesetz von Gay-Lussac (1778-1850) gilt:
Will man den Zusammenhang zwischen der Temperatur und deren proportionalen Volumenzunahme graphisch darstellen, wird die Temperatur in Grad Celsius angegeben.
Unabhängig von Gasart und Gasmenge gehen alle linearen Zusammenhänge von Temperatur und Volumenzunahme durch den Punkt mit der Temperaturkoordinate -273,15 °C. Deshalb kann man den Koordinatenursprung dahin verlegen. Es entsteht eine neue Temperaturskala mit einer absoluten Temperatur, die mit der Einheit Kelvin angegeben wird.
Der Nullpunkt der absoluten Temperatur liegt also bei -273,15 °C.
Messverfahren
Damit die Volumenzunahme proportional zur Temperaturzunahme ist, muss der Druck konstant bleiben.
Es entsteht ein Niveauunterschied. Um diesen Niveauunterschied zu verhindern, kann man das Rohr mit dem Luftdruck nach unten oder oben verschieben, sodass der Druck konstant bleibt.
Mit einem Filzschreiber haben wir jeweils den Wasserstand in Röhrchen a markiert.
Nachdem wir jeweils das Gas im Wasserbad kurz um 8 Sekunden erwärmt haben, rührten wir mit einem Glasstab im Wasserbad für ca. eins bis zwei Minuten. Die Zeitschritte konnten wir mit einer Stoppuhr messen. Mit dem Thermometer konnten wir die Temperatur im Wasserbad ablesen sowie den Druckausgleich durch das Verschieben des einen Rohres machen.
Der Wasserstand ist dadurch gesunken. Der neue Wasserspiegel haben wir wieder mit einem Filzschreiber markiert. Dadurch konnten wir mit dem Lineal die jeweiligen Abstände messen. Diesen Vorgang wiederholten wir mehrmals.
Versuchsaufbau
Unter den Erlenmeyerkolben stellt man ein Wasserbecken, welches etwa Raumtemperatur besitzt. Darunter platziert man einen Bunsenbrenner( siehe Abbildung). Wichtig ist, dass der Gummistopfen auf dem Erlenmeyerkolben fest sitzt. Mit Hilfe des Röhrchen a kann man einen Druckausgleich im Manometer vornehmen.
Zu Beginn sollte die Flüssigkeit in Röhrchen a und b auf derselben Höhe sein. Man macht nun einen Strich auf der Höhe der Wasseroberfläche. Zudem ist ein Thermometer im Wasserbecken zu befestigen. Optimal berührt dieser den Erlenmeyerkolben.
Durchführung
Mit Hilfe des Bunsenbrenners wird das Wasserbecken 8 Sekunden Erwärmt.
Man rührt nun im Wasserbecken etwas weniger als 2 Minuten
Nun macht man einen Druckausgleich mit Hilfe des Röhrchen a, so dass sich die Flüssigkeit bei Röhrchen a und b auf der gleichen Höhe befinden.
An der neuen Stelle, an welcher sich nun die Flüssigkeit befindet, wird nun erneut einen Strich gezogen.
Nun kann man die Distanz mit Hilfe des Massstabs zwischen dem neuen und dem alten Strich messen.
Die Nr. 1 – 6 werden nun etwa 8 - mal wiederholt.
Messwerte
Bei Erwärmung dehnen sich Gase wesentlich stärker aus als Flüssigkeiten. Bleibt der Druck eines Gases während der Erwärmung konstant, so dehnt es sich proportional zur absoluten Temperatur aus.
Tabellen
Diagramme
Das grüne Diagramm wurde mit Logger-Pro erstellt. Die Daten des roten Diagrammes haben wir von Hand abgemessen.
Volumenausdehnungskoeffiziente (grüne Gerade):
Volumenausdehnungskoeffiziente (rote Gerade):
Volumenausdehnungskoeffiziente (Literaturwert):
Gesetz von Gay-Lussac:
oder
Vergleich mit Literaturwerten
Literaturwerte
Der Literaturwert für die Ausdehnung von Luft pro °Kelvin: 3.661*10-3
Fehlerrechnung
Relativer Fehler (grüne Gerade):
Relativer Fehler (rote Gerade):
Interpretation und Diskussion der Resultate
Die temperaturbedingte Volumenänderung lässt sich auf die Brown’sche Molekularbewegung zurückführen. Durch die Erwärmung können sich die einzelnen, beweglichen Moleküle des Gases schneller bewegen. Deshalb dehnt sich das Volumen des Gases bei Temperaturzunahme aus.
Universität Bremen (Jahr unbekannt) Thermische Eigenschaften der Materie. Ideale Gase. Abgerufen am 02.05.2016 von: Germann, E., Zürcher, C., Jankovics, P., Vogel, W. (2009). Impulse. Grundlagen der Physik für Schweizer Maturitätsschulen. Zug:Klett und Balmer AG.