Warum genau, wird die Erstarrungstemperatur von Wasser bei Zugabe von Salz heruntergesetzt?
Hier eine mögliche Erklärung von mir, von der ich nicht weiss, ob sie stimmt:
Wenn die Ionen des Salzes hydratisiert werden, wird Hydratationsenergie in Form von Wärme frei, welche das Wasser leicht erwärmt und die Hydratation der Ionen weiter begünstigt (schnellere Teilchenbewegung = höhere Reaktionsgeschwindigkeit?), falls denn nicht bereits alles gelöst sein sollte.
Wärme ist gleichbedeutend mit schnellerer Teilchenbewegung (hier die Wassermoleküle), wodurch ein Zusammenlagern zu Wasserkristallen hinausgezögert wird, denn nur wenn sie langsamer werden, kann die elektrostatische Wirkung der Wasser-Dipole einsetzen. Die Erstarrungstemperatur wird so weit runtergesetzt, bis die Temperatur tief genug ist, um die erzeugte Hydratationsenergie zu überkompensieren.
Eine andere Erklärung wäre, dass die Wasserkristalle des bereits gebildeten Eises bei der Grenzfläche durch die Salzionen aufgrund der Coulombkraft herausgerissen und hydratisiert werden. Dabei wird Wärme frei, da die Hydratationsenergie höher ist als die Gitterenergie. Dies wärmt das Eis auf, es werden mehr Ionen hydratisiert etc.
Was stimmt?
1 Antwort
Nichts davon. Die Gefrierpunktserniedrigung ist eine kolligative Eigenschaft, das heißt sie ist unabhängig von der Art der gelösten Teilchen (also ob du jetzt ein Salz oder Zucker löst ist egal). Es kommt dabei einzig und allein darauf an wie viele Teilchen gelöst sind. Das heißt also, dass ein Mol NaCl den Gefrierpunkt von z.b. Wasser genauso weit erniedrigt wie ein Mol Glucose.
Die einfachste Erklärung ist, dass die gelösten Teilchen den Kristallisationsprozess des Lösungsmittels behindern, weil sie nicht vernünftig in dessen Kristallstruktur passen (= es ist energetisch unvorteilhaft ein Lösungsmittelmolekül durch ein gelöstes Teilchen zu ersetzen). Das heißt, die Lösungsmittelmoleküle drängen die gelösten Teilchen aus dem Kristall in ein kleiner werdendes Reservoir an Flüssigkeit. Dadurch sinkt die Entropie (was auch wieder unvorteilhaft ist), daher braucht es niedrigere Temperaturen zum fest werden. Dieser Erklärungsansatz gilt aber nur solange, bis die Konzentration der gelösten Teilchen zu hoch wird. Ab dann kommen noch andere stoffspezifische Effekte dazu.
Zweitens setzen gelöste Teilchen den Dampfdruck einer Lösung herab. Der Punkt an dem eine Flüssigkeit fest wird, wird aber durch den Dampfdruck bestimmt und zwar durch den Punkt an dem Dampfdruck von Flüssigkeit und Feststoff gleich sind. Da der Dampfdruck der Flüssigkeit jetzt aber niedriger ist, braucht es auch eine niedrigere Temperatur zum fest werden. (Genauer gesagt ist das eigentlich das chemische Potential, was da rein spielt, aber das hängt mit dem Dampfdruck zusammen)
Die Gefrierpunktserniedrigung ist also ein reiner Entropie-Effekt.
Naja, weil Zucker schwerer ist als Salz pro Teilchen. Du brauchst schlichtweg weniger Masse an Salz für den gleichen Effekt.
Die Entropie sinkt (da hab ich mich beim schreiben vertan, habs eben ausgebessert), weil du die Salzteilchen in ein kleineres Volumen an Flüssigkeit steckst, wenn letztere anfängt zu kristallisieren. Also du separierst quasi das Salz immer mehr vom Wasser. Und Entropie ist ja die "Unordnung" (stimmt zwar nicht ganz, aber so kann man sichs besser vorstellen. Also gleiche Teilchen zusammen zu sortieren ist schlecht)
Mega lieb, führst du das so aus. Du bist also ganz sicher, dass der Prozess nichts mit der Gitter- und Hydratationsenergie zu tun hat, ja? Wenn ich mir nochmals Nachfragen erlauben darf: kompensiert denn das Weniger an Salz wirklich die viel grösseren Kosten und Umweltschäden im Vergleich zu Zucker?
Danke für die Klärung zur Entropie. Was ist aber schlecht daran, wenn sie sinkt?
Ja, das wurde mir so eingebrannt von einem Betreuer aus einem Praktikum, weil wir das nicht wussten xD kann man übrigens auch bei Wikipedia nachlesen: https://de.wikipedia.org/wiki/Gefrierpunktserniedrigung
Hm, das mit der Entropie ist so eine Sache, als das das nur eine ziemlich abstrakte Größe ist. Allgemein kann man sich merken, dass thermodynamische Systeme immer nach der maximalen Entropie streben. Deswegen steigt sie auch immer sobald irgendein Prozess spontan abläuft oder Energie/Wärme von außen zugeführt wird. Umgekehrt kann sie nur sinken, wenn Energie oder Materie nach außen abgegeben wird. (Beispiel hier: Du musst mehr Energie nach außen abgeben weil du ja die zusätzliche Entropie vom Salz aufbringen musst, das du zusammen packst. ergo niedrigerer Schmelzpunkt)
Danke vielmals für die ausführliche Antwort! Wir haben dieses Thema eben heute in der Vorlesung behandelt. Und die Frage nach der Gefrierpunkterniedrigung stellte der Dozent, nachdem er das mit der Gitter- und Hydratationsenergie erklärt hatte. Aber offenbar hat das überhaupt nichts damit zu tun, ja? Warum streut man denn eigentlich nicht Zucker statt Salz im Winter? Das wäre doch nicht nur günstiger, sondern auch weniger umweltbelastend!? Wieso steigt die Entropie, wenn sich Kristalle bilden und die Ionen an den Rand gedrängt werden? Sinkt nicht die Entropie beim Kristallisieren? Und auch die Ionen wären doch "geordneter", wenn sie nicht frei im Wasser rumschwimmen, Sondern in ein kleiner werdendes Reservoir gedrängt werden. Sorry, steh vielleicht gerade auf der Leitung.