Kategorie:Latentwärmespeicher

Aus Chemiewiki
Wechseln zu: Navigation, Suche

Untersuchtes Phänomen

Wie funktioniert ein Taschenwärmer?

Fehler beim Erstellen des Vorschaubildes: Die Miniaturansicht konnte nicht am vorgesehenen Ort gespeichert werden

(Quelle: http://www.chemieunterricht.de/dc2/tip/01_99.htm)

Naturwissenschaftliche Erklärung des Phänomens

Trotz eisiger Kälte warme Hände: Kristallisationswärme von Salzen macht es möglich!

Taschenwärmer sind ein beliebtes Mittel um Wärme zu speichern und bei Bedarf abzugeben. Der weiße, kristalline Feststoff, der mit einem Metallplättchen in einer Plastiktüte eingeschweißt ist wird dazu üblicherweise in heißes Wasser gegeben, bis die ursprünglich feste Substanz vollständig flüssig geworden ist. Nach dem Abkühlen ist der Taschenwärmer aktiviert und für den winterlichen Einsatz präpariert. Um die Wärmeproduktion zu starten biegt man das in der Flüssigkeit mit eingeschweißte Stahlplättchen („Knackfrosch“) einfach durch und innerhalb weniger Sekunden verfestigt sich die Flüssigkeit und die Temperatur im Beutel steigt. Doch wie funktioniert solch ein Taschenwärmer?

Das Geheimnis dieses Phänomens liegt in einer simpel aufgebauten, leicht löslichen chemischen Verbindung aus einem Salz (Natriumacetat) und Wasser. Diese Verbindung heißt Natriumacetat-Trihydrat, da in das Kristallgitter dieser Substanz neben Natrium- und Acetat-Ionen pro Formeleinheit drei Wassermoleküle eingebaut sind. Im Normalzustand ist diese fest. Um die Verbindung zu schmelzen bzw. das Ionengitter zu zerstören, ist einiges an Energie nötig (Ionengitterenergie). Natriumacetat-Trihydrat fängt erst ab 58°C an zu schmelzen (man nennt diese Temperatur die „Schmelztemperatur“). Beim Erhitzen im Wasserbad gibt die Substanz ihr Kristallwasser ab und löst sich in diesem. Die Besonderheit dieser Salz-Wasser-Verbindung ist, dass sie nun beim Abkühlen unter ihrer Schmelztemperatur und sogar bis zu -10°C Grad nicht wieder fest wird bzw. kristalisiert. Diese Besonderheit nennt man auch eine „unterkühlte“ Schmelze. Da ihr Erstarren plötzlich einsetzen kann nennt man diesen Zustand auch „metastabil“. Die Energie, die vorher zum Schmelzen nötig war, ist immer noch im Taschenwärmer enthalten. Durch das Drücken des Metallplättchens wird dieser sogenannte „metastabile“ Zustand gestört und das Salz zur Kristallisation angeregt. An den Stellen, wo der „Knackpunkt“ gesetzt wurde, bilden sich erste kristalline Strukturen, aus denen heraus das ungehemmte und lawinenartige Kristallwachstum schlagartig einsetzt. Die in der Verbindung gespeicherte Wärme („latente Wärme“) wird freigesetzt (exotherme Reaktion). Die Bildungswärme des Salzhydrats, auch Kristallisationswärme genannt, entspricht genau der Energiemenge, die zum umgekehrten Vorgang, dem Schmelzen, erforderlich war (58°C). Bringt man das Natriumacetat-Tryhydrat durch Erwärmen in kochendem Wasser wieder zum Schmelzen, so verflüssigen sich die Kristalle wieder und der der Taschenwärmer ist wieder „aufgeladen“. Im Grunde funktioniert Taschenwärmer indem die latente Energie von Phasenübergängen genutzt wird.

Experiment zum Latentwärmespeicher

In dem folgenden Experiment sollen die Schüler und Schülerinnen selbst ein Latentwärmespeicher herstellen, erproben und analysieren.

Hilfsmittel:

  • Weithals-Erlenmeyerkolben (500ml)
  • Wasser
  • 500 g frisches Natriumacetat-Trihydrat
  • Watte oder Aluminiumfolie
  • Thermometer

Durchführung:

In einen Erlenmeyerkolben (500 ml) werden 50 ml Wasser gegeben und ein Thermometer hineingetan. Dazu gibt man 500 g frisches Natriumacetat-Trihydrat. Der Erlenmeyerkolben wird mit einem dicken Wattebausch oder etwas Aluminiumfolie verschlossen. Die übersättigte Salz/Wasser-Mischung wird kurz aufgekocht um das Salz zu lösen. Es ist sorgfältig darauf zu achten, dass keine Kristalle übrig bleiben. Wenn das Salz gelöst ist, lässt man die Lösung auf etwa 20 °C abkühlen. Wichtig dabei: Das Glas nicht anstoßen, damit der metastabile Zustand erhalten bleibt! Zum Aktivieren der sogenannten unterkühlten Schmelze rührt man die abgekühlte Lösung mit dem Thermometer kurz um oder kratzt mit einem Metall- oder Glasstab von innen an der Glaswand. Innerhalb von wenigen Sekunden kristallisiert der gesamte Inhalt des Erlenmeyerkolbens, bei gleichzeitigem Anstieg der Temperatur. Sollte die Kristallisation ausbleiben, gibt man einen Impfkristall von Natriumacetat-Trihydrat in die Lösung.

Aufgaben und Fragen:

  1. Ab welcher Temperatur löst sich das Salz/Wassergemisch?
  2. Zeichne ein Temperatur/Zeit-Diagramm. Wie lange behält der Kristallkuchen seine Temperatur?
  3. Wiederhole das Experiment und vergleiche das Temperatur/Zeit-Diagramm vom ersten Versuch.
  4. Welcher Effekt genau löst den Kristallisationsvorgang aus?
  5. Gibt es Anwendungen im Alltag die von diesem Phänomen profitieren (könnten)?

Links:

(Kopfball)

(Audio-Podcast)

(Wissen vor 8)

(Die Sendung mit der Maus)

Diese Kategorie enthält zurzeit keine Seiten oder Medien.