HEIZKURVE: WAS IST DAS, WIE WIRD ES GEMACHT, BEISPIELE - KÖRPERLICH - 2024

Eine Heizkurve ist die grafische Darstellung, wie sich die Temperatur einer Probe als Funktion der Zeit ändert, wobei der Druck konstant gehalten und die Wärme gleichmäßig, dh mit einer konstanten Geschwindigkeit, zugeführt wird.

Um ein Diagramm dieses Typs zu erstellen, werden Werte- und Zeitwertepaare verwendet, die später grafisch dargestellt werden, indem die Temperatur auf der vertikalen Achse (Ordinate) und die Zeit auf der horizontalen Achse (Abszisse) platziert werden.

Abbildung 1. Die Heizkurve eines Stoffes wird erhalten, indem Wärme hinzugefügt und die Temperatur in einem bestimmten Zeitintervall gemessen wird. Quelle: Pixabay.

Dann wird die am besten geeignete Kurve an diese experimentellen Punkte angepasst und schließlich wird ein Graph der Temperatur T als Funktion der Zeit t: T (t) erhalten.

Was ist die Heizkurve?

Beim Erhitzen durchläuft eine Substanz nacheinander verschiedene Zustände: Wenn sie fest ist, kann sie zu einem Dampf werden, der fast immer den flüssigen Zustand durchläuft. Diese Prozesse werden als Zustandsänderungen bezeichnet, bei denen die Probe ihre innere Energie erhöht, während Wärme hinzugefügt wird, wie dies durch die molekularkinetische Theorie angezeigt wird.

Beim Hinzufügen von Wärme zu einer Probe gibt es zwei Möglichkeiten:

- Der Stoff erhöht seine Temperatur, da seine Partikel intensiver gerührt werden.

- Das Material durchläuft einen Phasenwechsel, bei dem die Temperatur konstant bleibt. Durch das Hinzufügen von Wärme werden die Kräfte, die die Partikel zusammenhalten, bis zu einem gewissen Grad geschwächt, so dass beispielsweise der Übergang von Eis zu flüssigem Wasser erleichtert wird.

Abbildung 2 zeigt die vier Zustände der Materie: fest, flüssig, gasförmig und Plasma sowie die Namen der Prozesse, die den Übergang zwischen ihnen ermöglichen. Die Pfeile geben die Richtung des Prozesses an.

Abbildung 2. Die Zustände von Materie und Prozessen, die erforderlich sind, um zwischen den beiden zu wechseln. Quelle: Wikimedia Commons.

-Zustandsänderungen in einem Stoff

Beginnend mit einer Probe im festen Zustand geht sie beim Schmelzen in einen flüssigen Zustand über, verwandelt sich beim Verdampfen in Gas und durch Ionisation in Plasma.

Der Feststoff kann durch einen als Sublimation bekannten Prozess direkt in ein Gas umgewandelt werden. Es gibt Substanzen, die bei Raumtemperatur leicht sublimieren. Am bekanntesten ist CO ₂ oder Trockeneis sowie Naphthalin und Jod.

Während die Probe einen Zustandswechsel erfährt, bleibt die Temperatur konstant, bis sie den neuen Zustand erreicht. Dies bedeutet, dass wenn Sie beispielsweise einen Teil des flüssigen Wassers haben, der seinen Siedepunkt erreicht hat, seine Temperatur konstant bleibt, bis sich das gesamte Wasser in Dampf verwandelt hat.

Aus diesem Grund wird erwartet, dass die Erwärmungskurve aus einer Kombination von zunehmenden Abschnitten und horizontalen Abschnitten besteht, wobei letztere Phasenänderungen entsprechen. Eine dieser Kurven ist in Abbildung 3 für eine bestimmte Substanz dargestellt.

Abbildung 3. Eine Heizkurve einer bestimmten Substanz mit der typischen Konfiguration basierend auf Stufen und Steigungen.

Interpretation der Heizkurve

In den Wachstumsintervallen ab, cd und ef liegt die Substanz als Feststoff, Flüssigkeit bzw. Gas vor. In diesen Regionen steigt die kinetische Energie und damit die Temperatur.

Während es in bc seinen Zustand von fest zu flüssig ändert, existieren die beiden Phasen gleichzeitig. Dies geschieht in dem Abschnitt von, in dem die Probe von flüssig zu gasförmig wechselt. Hier ändert sich die potentielle Energie und die Temperatur bleibt konstant.

Das umgekehrte Verfahren ist auch möglich, dh die Probe kann gekühlt werden, um nacheinander andere Zustände anzunehmen. In diesem Fall sprechen wir von einer Abkühlungskurve.

Die Heizkurven haben für alle Substanzen das gleiche allgemeine Erscheinungsbild, obwohl natürlich nicht die gleichen Zahlenwerte. Einige Substanzen brauchen länger als andere, um ihren Zustand zu ändern, und sie schmelzen und verdampfen bei unterschiedlichen Temperaturen.

Diese Punkte sind jeweils als Schmelzpunkt und Siedepunkt bekannt und sind Eigenschaften jeder Substanz.

Aus diesem Grund sind die Heizkurven sehr nützlich, da sie den numerischen Wert dieser Temperaturen für Millionen von Substanzen angeben, die als Feststoffe und Flüssigkeiten im Temperaturbereich vorliegen, der als normal und bei atmosphärischem Druck betrachtet wird.

Wie macht man eine Aufwärmkurve?

Im Prinzip ist es sehr einfach: Legen Sie einfach eine Substanzprobe in einen mit einem Rührer ausgestatteten Behälter, setzen Sie ein Thermometer ein und erhitzen Sie es gleichmäßig.

Gleichzeitig wird zu Beginn des Vorgangs eine Stoppuhr aktiviert und von Zeit zu Zeit die entsprechenden Temperatur-Zeit-Paare notiert.

Die Wärmequelle kann ein Gasbrenner mit einer guten Heizrate oder ein elektrischer Widerstand sein, der beim Erhitzen Wärme abgibt, der an eine variable Quelle angeschlossen werden kann, um unterschiedliche Leistungen zu erzielen.

Für eine höhere Präzision gibt es im Chemielabor zwei weit verbreitete Techniken:

- Differentialthermoanalyse.

- Differentialscanningkalorimetrie.

Sie vergleichen den Temperaturunterschied zwischen der untersuchten Probe und einer anderen Referenzprobe mit einer hohen Schmelztemperatur, fast immer einem Aluminiumoxid. Mit diesen Methoden ist es leicht, die Schmelz- und Siedepunkte zu finden.

Beispiele (Wasser, Eisen …)

Betrachten Sie die in der Abbildung gezeigten Heizkurven für Wasser und Eisen. Die Zeitskala ist nicht gezeigt, es ist jedoch unmittelbar, die Schmelztemperaturen für beide Substanzen zu unterscheiden, die Punkt B jedes Diagramms entsprechen: für Wasser 0 ° C, für Eisen 1500 ° C.

Abbildung 4. Heizkurven für Wasser und Eisen.

Wasser ist eine universelle Substanz und der Temperaturbereich, der erforderlich ist, um seine Zustandsänderungen zu sehen, ist im Labor leicht zu erreichen. Für Eisen sind viel höhere Temperaturen erforderlich, aber wie oben erwähnt, ändert sich die Form des Diagramms nicht wesentlich.

Das Eis schmelzen

Beim Erhitzen der Eisprobe befinden wir uns gemäß Grafik am Punkt A bei einer Temperatur unter 0 ° C. Es wird beobachtet, dass die Temperatur mit einer konstanten Geschwindigkeit ansteigt, bis sie 0 ° C erreicht.

Die Wassermoleküle im Eis schwingen mit größerer Amplitude. Sobald die Schmelztemperatur (Punkt B) erreicht ist, können sich die Moleküle bereits voreinander bewegen.

Die ankommende Energie wird in die Verringerung der Anziehungskraft zwischen den Molekülen investiert, sodass die Temperatur zwischen B und C konstant bleibt, bis das gesamte Eis geschmolzen ist.

Wasser in Dampf verwandeln

Sobald sich das Wasser vollständig in einem flüssigen Zustand befindet, steigt die Schwingung der Moleküle wieder an und die Temperatur steigt zwischen C und D schnell bis zum Siedepunkt von 100 ° C. Zwischen D und E bleibt die Temperatur währenddessen auf diesem Wert Die ankommende Energie sorgt dafür, dass das gesamte Wasser im Behälter verdunstet.

Wenn der gesamte Wasserdampf in einem Behälter enthalten sein kann, kann er von Punkt E auf Punkt F weiter erhitzt werden, dessen Grenze in der Grafik nicht dargestellt ist.

Eine Eisenprobe kann dieselben Änderungen durchlaufen. Aufgrund der Art des Materials sind die Temperaturbereiche jedoch sehr unterschiedlich.

Verweise

1. Atkins, P. Prinzipien der Chemie: Die Wege der Entdeckung. Editorial Médica Panamericana. 219-221.
2. Chung, P. Heizkurven. Wiederhergestellt von: chem.libretexts.org.
3. Heizkurven. Schmelzwärme und Verdampfung. Wiederhergestellt von: wikipremed.com.
4. Hewitt, Paul. 2012. Konzeptionelle Physik. 5 .. Ed. Pearson. 174-180.
5. Universität von Valladolid. Abschluss in Chemie, erholt von: lodging.uva.es.