Wie finde ich heraus, ab welcher Temperatur Wasser (H2O) gefriert?
7 Antworten
Wie andere bereits richtig gesagt haben: Das kann man machen, indem man Wasser abkühlt (von außen, z.B. mit einem Wasser/Eis/Salz-Bad) und die Temperatur beim Auftreten der ersten Eiskristalle mißt. Gewöhnlich beobachtet man dabei, daß die Temperatur des flüssigen Wassers zunächst unter 0°C fällt, dann bilden sich die ersten Eiskristalle, die Temperatur steigt auf genau 0°C und bleibt dann konstant, bis alles gefroren ist.
Da die Temperatur einer Eis/Wasser-Mischung immer konstant 0°C beträgt, kann man es auch einfacher machen und zerstoßene Eiswürfel mit Wasser mischen und dann die Temperatur messen, so spart man sich die Kühlung über ein Bad.
Einige behaupten hier, daß superreines Wasser erst Dutzende Grade unter Null gefriert. Das ist gleichzeitig wahr und falsch, aber meiner Meinung nach eher das letztere.
Jeder reine Stoff gefriert bei einer fix definierten Temperatur, die nur vom Druck abhängt. Bei Wasser und Luftdruck ist das 0°C, Punkt. Allerdings kann das dauern, im schlimmsten Fall Millionen Jahre, denn die Kristallbildung ist langsam. Der Grund ist, daß kleine Kristalle (sub-µm) instabil sind und sich daher schlecht bilden. Andererseits waren alle großen Kristalle einmal klein. Sobald auch nur ein einziger kleiner Kristall es durch Zufall geschafft hat, lang genug zu leben um groß zu werden, gefriert die ganze Lösung.
Bei einer realen Gefrierpunktmessung beobachtet man daher meist Unterkühlung: Die Temperatur sinkt unter den Gefrierpunkt, ohne daß sichtbare Kristalle auftreten. In dieser Phase kämpfen die Mikrokristalle darum, groß genug zu werden, daß sie endlich die Lösung zum Gefrieren bringen können. Typischerweise ein paar Grad unter dem Schmelzpunkt sind ihre Chancen am größten, dann schaffen es ein paar und wachsen sehr rasch. Dabei wird die Schmelzwärme frei, und die Suppe erwärmt sich genau auf den Schmelzpunkt und gefriert dann langsam vor sich hin.
Das Kristallwachstum wird gefördert, wenn irgendwelche Brösel in der Suppe herumschwimmen. Oft hilft es daher, wenn man mit einem Glasstab an der Gefäßwand kratzt, denn dabei bilden sich winzige Glasfragmente, um die herum sich die Wassermoleküle zu Eiskristallen anordnen können („Kristallisationskeime“).
Extrem hochgereinigtes und ultrafiltriertes Wasser enthält keine Kristallisationskeime, daher ist der Gefriervorgang bei 0°C exxxxtrem langsam. Es möchte zwar gefrieren, kann aber nicht. Es bildet also eine „unterkühlte Schmelze“, die zwar instabil ist aber bei vorsichtiger Handhabung (keine Brösel, kein Schütteln) durchaus lange bestehen kann und sich auch weiter abkühlen läßt. Das ist aber nur temporär; wenn man lange genug wartet, dann muß es bei 0°C gefrieren.
Unterkühltes Wasser kommt auch in der Natur vor, und zwar bei Winterregen an sehr kalten Tagen. Wenn die Atmosphäre hinreichend rein ist, können die Wassertropfen nicht gefrieren, solange sie fallen. Wenn sie auf die Erdoberfläche mit all dem Staub und Dreck treffen, gefrieren sie sofort („Blitzeis“).
Wenn Du ein Kühlaggregat oder ein gute Kältemischung hast, kannst Du einfach Wasser in ein Glasgefäß geben und unter leichtem Rühren (bzw. mit einem Magnetrührer) abkühlen und dabei die Temperatur messen. Sobald sich Eiskristalle bilden und die Temperatur stabil bleibt hast Du den Gefrierpunkt.
Einfacher ist es den umgedrehten Weg zu gehen und den Schmelzpunkt zu bestimmen (Schmelzpunkt ist nichts anderes als der Gefrierpunkt vom anderen Ende- dazwischen liegt nur die Schmelzenthalpie).
Nimm einfach Dein Wasser und lass es im Eisschrank in Würfelchen tiefgefrieren . Füll das Eis in eine Thermoskanne und mess die Temperatur. Wenn die Temperatur bei dem schmelzenden Eis stabil bleibt hast Du den Schmelz-/Gefrierpunkt. (Die Wasser/Eis Mischung ab und zu umrühren, damit sich keine Temperaturschichtungen bilden, die das Ergebnis verfälschen.)
Das kannst du im einfachsten Fall rein optisch machen. Du misst die Temperatur des Wassers und notierst dir bei welcher es zu gefrieren beginnt. Das kannst du ja gut optisch feststellen. Professionell wird das bspw. mittels Kryomikroskopie oder DSC-Messungen in Emulsionen gemacht.
Du wirst jedoch feststellen, das die Temperatur stark von Kühlrate und Reinheit des Wassers abhängt. Reines Wasser gefriert erst bei -38 °C. Mit Eiskeimen verunreinigtes Wasser gefriert schon früher.
Könntest du theoretisch machen, du wirst aber keine präzisen Ergebnisse bekommen, da du so zu langsam abkühlst. Handschuhe brauchst du nicht.
Wenn du nur den thermodynamischen Gefrierpunkt von Wasser messen möchtest, würde es ausreichen die Temperatur von einer Mischung aus Wasser und Eis zu messen. Diese ist immer 0 °C.
Für die Durchführung siehe Kommentar von PeterJohann. Zum Abkühlen kannst Du z.B. Alkohol oder eine konzentrierte Salz/Zuckerlösung aus dem Tiefkühler (sind kälter als 0 °C) nutzen - Das Glas mit Wasser (je mehr Wasser, desto länger wird es dauern) in diese Lösung stellen, kontinuierlich rühren und warten.
Lass ich nicht von den -38 °C verwirren, dabei geht es um supercooling, das kannst Du zu Hause nicht quantifizieren. Dazu müsstest Du Wasser ohne Kristallisationkeime ohne zu bewegen (was schlecht ist wenn Du die Temperatur messen willst) lagern. Aber falls Du bock drauf bekommen hast es mal auszuprobieren: Organisiere Dir Reinstwasser und gebe es in eine sehr saubere Flasche. Lege die Flasche in den Tiefkühler und warte --> Das Wasser wird im Tiefkühler nicht gefrieren, aber sobald Du die Flasche schüttelst bekommst Du blitzartig Eis.
Kommt drauf an reines absolut ruhiges Wasser wird erst zähflüssig und bei - 40 Grad dann langsam fest.
Nein. Das ist lediglich der thermodynamische Gleichgewichtsschmelzpunkt von Wasser. Reines Wasser gefriert durch Unterkühlung bei etwa -38 °C und schmilzt bei 0 °C.
Nein absolut reines Wasser gefriert nicht bei 0 Grad. Das kommt aber in der Natur nicht vor man kann es nur im Labor nachstellen.
Reines Wasser besitzt eine homogene Nukleationstemperatur von -38 °C. Ab dieser Temperatur nukleiert es zwingend, da selbst kleinste Eiscluster thermodynamisch stabil sind. Durch Zugabe von Elektrolyten kann man die Temperatur noch viel weiter senken.
Das ist auch nichts, was nur im Computer möglich ist. Das wird täglich in Laboren zur Atmosphärenforschung gemacht und ist schon lange nichts besonderes mehr. Habe ich auch schon selber mehrfach gemacht.
(Koop, T.: Atmospheric Water, in: Water: Fundamentals as the Basis for Understanding the Environment and Promoting Technology,187 (2015), 45-75)
Damit das nicht falsch rüberkommt: Damit will ich nicht sagen, dass deine Aussagen falsch sind. Allerdings kann man deine -48 °C schlecht als Gefrierpunkt von Wasser ansehen, da vorher schon alles durch homogene Nukleation gefriert.
Man vermutet auch, dass in diesem "Niemandsland" des flüssigen Wassers ein Flüssig-Flüssig kritischer Punkt existiert (HDL vs. LDL), welcher für die anomalen Eigenschaften des Wassers verantwortlich ist.
also kann ich den versuch einfach in meinem kühlschrank durchführen und die stufe immer weiter hochstellen, alsp dass die temperatur immer weiter stinkt? achja und was sind eiskeime? sollte ich handschuhe tragen?