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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.

Abbildung 1: Temperaturverlauf beim Abkühlen von Wasser.

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 die Temperatur 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 können. Bei diesem Prozess wird die Bewegungsenergie in Wärmeenergie umgewandelt. Die Wärmeenergie, die während der Kristallbildung frei wird, ist für eine Zeitlang genauso groß, wie die Wärmeenergie, die von der Eismischung entzogen wird. Aus diesem Grund ist für eine Zeitlang 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 2: Häufig beobachteter Temperaturverlauf beim Abkühlen von Wasser.

Wie lässt sich dieses Phänomen nun für den Unterricht nutzen?

Zur Bestimmung des Gefrierpunktes von Wasser wurde eine Unterrichtssequenz entwickelt, um den Schülerinnen und Schülern 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. Dieses 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 Zeitlang bei 0°C bevor die diese wieder sinkt.

Abbildung 3: Versuchsaufbau zur Bestimmung des Gefrierpunktes.

Durchführung und Beobachtungen während des Versuchs

Die folgende Abbildung zeigt den Temperaturverlauf nach dem Ende des Schülerversuchs.

Ergänzende Hinweise zur Durchführung:

  • Es ist wichtig, dass die Eiswürfel möglichst direkt vor dem Versuch aus dem Gefrierschrank genommen werden, da angetaute Eiswürfel den Versuchs 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 ist zu erkennen, wie das gefrorene Wasser in der Pipette am Ende von Phase 4 in Wasser (20°C) gestellt wurde. Diesen Schritt sollen die Lernenden jedoch nicht durchführen, da sie eigenständig Hypothesen entwickeln sollen, wie der Kurvenverlauf aussehen könnte. In dem Video ist zu erkennen, dass beim Schmelzen des Eises die Temperatur ebenfalls bei 0°C 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:

  1. Eine Anleitung zur Durchführung des Versuchs mit einer ergänzenden Online-Hilfe. In der Hilfe wird die Vorbereitung und die Beobachtungsphasen bildlich dargestellt. Die Online-Hilfe kann über einen QR-Coder auf dem AB aufgerufen werden (AB 01).
  2. Ein Puzzle aus Textbausteinen zur Auswertung des Versuchs. Die einzelnen Textbausteine müssen in 3er - 4er Gruppen den vier Beobachtungsphasen zugeordnet werden (AB 02 & 03).
  3. Ein Sicherungsarbeitsblatt, dass die Ergebnisse aus der vorherigen Arbeitsphase zusammenfasst (AB 04).
  4. Ein vertiefender Informationstext zur Erklärung, wieso im festen Aggregatzustand eine Temperatur zu messen ist (AB 05).