Kategorie:Sublimation und Resublimation

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Untersuchtes Phänomen:

Wie stellt man Trockeneis her? Wie entsteht Rauhreif z.B. in kalten Nächten?

Naturwissenschaftliche Erklärung des Themas

Sublimation bezeichnet den unmittelbaren Phasenübergang fest (s) nach gasförmig (g). Der entgegengesetzte Vorgang wird als Resublimation bezeichnet. Einige Stoffe gehen bei Normaldruck direkt von dem festen in den gasförmigen Zustand über und umgekehrt. Ein Bespiel hierfür ist das Kohlendioxid CO2, dass bei einer Temperatur von -78 °C fest ist, und bei Erwärmung direkt in den gasförmigen Zustand übergeht, ohne vorher geschmolzen zu sein. Dass zum Kühlen häufig verwendete Trockeneis ist nichts anderes als festes, gefrorenes Kohlendioxid. Bei den auf der Erdoberfläche normalerweise vorherrschenden Druckbedingen liegt Kohlendioxid niemals in flüssigem Zustand vor. Erhöht man allerdings den Druck, wie es beispielsweise in handelsüblichen CO2- Feuerlöschern Anwendung findet, ist Kohlendioxid bei Raumtemperatur flüssig. Innerhalb der Gasflasche liegt das CO2 also bei Raumtemperatur und hohem Druck im flüssigen Zustand vor, beim Entweichen entspannt sich die Flüssigkeit und wird dabei gasförmig. Auf dem Mars beispielsweise kann Wasser aufgrund des niedrigen Atmosphärendrucks auf der Oberfläche nicht in flüssiger Form vorliegen. Es würde bei entsprechenden Temperaturen direkt vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand sublimieren. Raureif oder Rauhreif ist ein fester Niederschlag, der sich aus unterkühlten Wassertropfen von leichtem Nebel oder direkt aus dem in der Luft enthaltenen Wasserdampf durch Resublimation bildet. Hierfür ist eine sehr hohe relative Luftfeuchtigkeit von über 90% und eine Lufttemperatur von unter -8 °C nötig. Die entstehende Wärme wird dabei durch Konvektion an die umgebende Luft abgegeben, daher erhöht Wind die Bildung von Raureif, darf aber auch nicht zu stark sein, um die empfindlichen Strukturen nicht zu zerstören. Es entstehen vor allem entgegen der Windrichtung nadelförmige Eiskristalle in Form sechsstrahliger Dendriten, die eine erhebliche Größe und bizarre Formen erreichen können und dabei meist nur langsam wachsen. Raureif „wächst“ gegen den Wind, da die luvseitig ankommende Luft einen höheren Feuchtigkeitsgrad als im Lee besitzt. Das Phänomen der Entstehung von Raureif tritt vergleichsweise selten auf und wird oftmals mit Reif oder Raufrost verwechselt, für die es eine Art Zwischenstadium darstellt. Eine besondere Form des Raureifs sind Eisblumen.

Vorschlag für Experiment

  • Der Inhalt eines CO2-Feuerlöschers wird für ca. 10 sec. in einen Jutebeutel gesprüht. Der Jutebeutel dient als Isolator, so das zwischen der Umgebung und dem sich abkühlenden CO2 (Joule-Thomson-Effekt) kein (kaum) Wärmeaustausch stattfindet. Das sich abkühlende CO2 resublimiert zu Trockeneis. Wird das Trockeneis aus dem Jutesack geschüttelt, lässt sich in den folgenden Minuten der entgegengesetzte Phasenübergang beobachten. Das Trockeneis wird durch die Umgebungsluft aufgewärmt und verdampft (sublimiert).

Fragenkatalog zur Sublimation

Experiment zur Sublimation

Die Durchführung erfolgte in Biberwier, Österreich durch Schüler der Klasse CK06 der David-Röntgen-Schule-Neuwied.

Hilfsmittel:

  • 1 Jutesack als Isolator
  • 1 Deodorant (Treibmittel Butan, alkoholfrei)

Durchführung:

Für die Trockeneiserzeugung muss die Außentemperatur unter 8°C liegen. Das Deospray wird etwa 10 Sekunden in einen Jutesack gesprüht, danach wird dieser ausgeschüttelt.

Es sollte nun Schnee (Trockeneis) herausfallen. Durch die Volumenexpansion des Treibgases kühlt sich das Treibmittel ab und sublimiert zu Trockeneis. Dieses Phänomen ist auf die Expansion des Gases zurückzuführen. Wird der Druck schlagartig verringert, dehnt sich das Gas aus und kühlt sich ab.

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