7. – 12. Schuljahr

Moritz Krause, Marcus Bäumer und Ingo Eilks

Messwerte bei der Abkühlung von Wasser digital erfassen

Einen Vorgang mit einem digitalen Messwertsystem verfolgen

Aus dem Alltag ist bekannt, dass der Gefrierpunkt von Wasser bei 0 °C liegt, d.h., Wasser gefriert bei Normaldruck von 1013hPa (Standardbedingungen) bei 0 °C. Wissenschaftler aus Israel konnten allerdings zeigen, dass Wasser sogar bis – 40 °C immer noch flüssig vorliegen kann [1]. Dieses unterkühlte Wasser (unterkühlte Schmelze) ist ein metastabiler Zustand. Damit der Aggregatzustandswechsel in den festen (stabilen) Zustand ablaufen kann, ist z.B. eine Impulsübertragung, etwa über eine Erschütterung oder einen Kristallisationskeim, notwendig.
In diesem Beitrag wird vorgeschlagen, dass die Lernenden die Abkühlkurve von Wasser im Kältebad mit Hilfe einer digitalen Messwerterfassung verfolgen. Wird der Versuch sorgsam durchgeführt, stößt man auf das Phänomen der unterkühlten Schmelze. Durch eine Erschütterung erfolgt dann die Kristallisation spontan und die Temperatur steigt schlagartig um mehrere Grad auf die Gefriertemperatur von 0 °C an.
Didaktische Ziele
Das vorgestellte Experiment eignet sich für den Einsatz in der Sekundarstufe II, es ist aber auch möglich, das Experiment an einer anderen Stelle zu verorten, je nachdem, welche Ziele verfolgt werden. Im Einzelnen kann der Versuch folgenden Zielen dienen:
  • Submikroskopische Erklärung des Phasenüberganges, ggf. auch ohne digitale Messwerterfassung: Die Ausbildung eines Kristallgitters beim Übergang zum festen Zustand des Wassers ist begleitet vom Freiwerden der Schmelzwärme (SI, Anfangsunterricht).
  • Einführung in die digitale Messwerterfassung: In diesem Fall ist die Untersuchung des Phasenüberganges von Wasser zu Eis lediglich das Beispiel (SI, SII).
  • Phänomenologische Untersuchung eines Phasenüberganges mit den Beobachtungen: (a) Flüssigkeiten können unter bestimmten Bedingungen unter die Schmelztemperatur gekühlt werden, während (b) beim gleichzeitigen Vorhandensein beider Phasen (Eis und Flüssigkeit sind gleichzeitig vorhanden) die Temperatur konstant ist und der Schmelztemperatur entspricht (SI, Anfangsunterricht).
  • Thermodynamische Betrachtung: Oberhalb von 0 °C ist nur Wasser stabil, unterhalb nur Eis. Am Schmelzpunkt liegen flüssiges Wasser und Eis im Gleichgewicht vor und die Temperatur ist konstant, solange beide Phasen präsent sind. Die Bildung von Eis kann gehemmt sein; unterkühltes Wasser geht aber spontan in den festen Zustand über, wenn man von außen einen „Impuls gibt (SII).
Beim Versuch können Fachinhalte auf phänomenologischer und submikroskopischer Ebene erarbeitet werden. Dazu gehören die Vorgänge beim Phasenübergang zwischen flüssig und fest oder die Deutung von Aggregatzuständen auf der Teilchenebene. Damit könnte diese Einheit je nach Bundesland und Schulform in der Sek.I eingesetzt werden oder aber in der Sek.II, um physikochemische Aspekte zu diskutieren. Dabei muss man sich bewusst sein, dass hier sowohl kinetische als auch thermodynamische Konzepte relevant sind, deren detaillierte Unterscheidung im Schulunterricht selbst in der Sek. II aber wohl nicht in jeder Lerngruppe vollständig auflösbar ist. Genau genommen ist das Phänomen der unterkühlten Schmelze ein kinetisches Phänomen und beleuchtet als solches eigentlich nicht so sehr den Phasenübergang, sondern dessen Hemmung. Das unterhalb von 0°C nicht mehr stabile flüssige Wasser kann nicht in Eis übergehen, da sich die Wassermoleküle zur Ausbildung erster (mikroskopisch) kleiner Eiskristalle ohne Kristallisationskeime nicht leicht „zusammenfinden. In entsprechend starken Lerngruppen kann am Ende geklärt werden, dass hier zwei Effekte vorliegen: die kinetische Hemmung (die durch Eingriff des Experimentators aufgehoben werden kann) und thermodynamische Stabilität (die nicht beeinflusst werden kann).
Digitale Kompetenzen
Im Hinblick auf digitale Kompetenzen eignet sich der Versuch aufgrund seiner...

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