010 – Schmelzpunkt und Dichte

Wie unterscheidet man eine Substanz von einer anderen, wenn beide weiße, geruchlose Feststoffe sind? Nicht durch das Aussehen — durch Messung. Jede reine Substanz besitzt eine Reihe physikalischer Eigenschaften, die nicht davon abhängen, wie viel man davon hat: ihre Dichte, ihren Schmelzpunkt, ihren Siedepunkt. Diese werden als intensive Eigenschaften bezeichnet und funktionieren wie ein Fingerabdruck. Qualitätskontrolllabore überprüfen Rohstoffe auf diese Weise, Kriminaltechniker identifizieren unbekannte Proben auf diese Weise und Geologen klassifizieren Mineralien auf diese Weise.

Dichte ist das Verhältnis der Masse einer Probe zu ihrem Volumen – wie viel Materie in jedem Milliliter komprimiert ist. Der Schmelzpunkt ist die Temperatur, bei der die geordnete Struktur des Feststoffs in eine Flüssigkeit zusammenbricht, und er bleibt während des Schmelzvorgangs konstant: Die hineinfließende Wärme wird für den Aufbruch der Struktur verbraucht und erhöht nicht die Temperatur, weshalb eine schmelzende Substanz ein Plateau in einem Temperatur-Zeit-Diagramm aufweist.

In diesem Labor werden Sie beide Eigenschaften für Paraffinwachs messen. Zuerst wiegen Sie eine Probe und bestimmen deren Volumen durch Wasserverdrängung, was die Dichte ergibt; danach schmelzen Sie eine gewogene Probe in einem Wasserbad und verfolgen die Temperatur auf dem Diagramm des Tablets, um das Schmelzplateau zu erfassen. Zusammen charakterisieren die beiden Werte das Material.

Bildungsziele

Einarbeitung in die Laborumgebung

• Identifizieren Sie das Layout und die Ausstattung des Labors, einschließlich der elektronischen Waage, der Messzylinder, der Heizplatte, des Laborstativs mit Klemmen, des Thermometers, der Stoppuhr und der Pinzette.

Richtige Verwendung der elektronischen Waage

• Verwenden Sie das Wägeschiffchen und die Tara-Funktion, so dass die Waage nur die Probenmasse anzeigt.
• Wägen Sie eine Probe Stück für Stück bis zu einer Zielmasse ein und protokollieren Sie die Werte dabei fortlaufend.

Messung des Volumens eines unregelmäßigen Festkörpers

• Volumen durch Wasserverdrängung bestimmen: Den Zylinder vor und nach der Zugabe des Feststoffs ablesen und subtrahieren.
• Lesen Sie den Meniskus in Augenhöhe ab.

Bestimmung einer Dichte

• Berechne die Dichte als Masse geteilt durch das Volumen mit den korrekten Einheiten (g/mL) und vergleiche das Ergebnis mit einem Referenzwert.

Bestimmung eines Schmelzpunktes

• Bau den Wasserbad-Aufbau auf, bei dem Reagenzglas und Thermometer so eingespannt sind, dass sie den Boden nicht berühren, und erkläre, warum das Thermometer das Glas nicht berühren darf.
• Folgen Sie dem Temperatur-Zeit-Diagramm, identifizieren Sie das Schmelzplateau und lesen Sie den Schmelzpunkt daraus ab.
• Erklären Sie, warum ein Wasserbad anstelle eines direkten Kontakts mit der Heizplatte zum Schmelzen der Probe verwendet wird.

Verständnis intensiver Eigenschaften

• Dichte und Schmelzpunkt hängen nicht von der Probengröße ab, da sie intensive physikalische Eigenschaften sind. Diese Eigenschaften hängen von der Art der Teilchen ab, aus denen eine Substanz besteht, und davon, wie stark diese Teilchen miteinander verbunden sind. Wenn man die Menge einer Substanz vergrößert, verändern sich Masse und Volumen proportional im gleichen Maße, sodass das Verhältnis (die Dichte) konstant bleibt. Ähnlich verhält es sich beim Schmelzpunkt: Die Temperatur, bei der die Teilchen genügend thermische Energie erhalten, um ihre geordnete Struktur aufzubrechen, ist für eine rein chemische Substanz ein fester Wert, unabhängig davon, wie viel Substanz erhitzt wird. Das macht sie so nützlich für die Identifizierung von Substanzen, da diese Werte für jeden Reinstoff konstant und charakteristisch sind. Man kann eine unbekannte Probe messen und ihre Dichte oder ihren Schmelzpunkt mit bekannten Tabellenwerten vergleichen, um das Material sicher zu bestimmen, ohne die gesamte Probe zu verbrauchen.

Protokoll

Teil 1: Dichte

1. Stellen Sie die Wägeschale auf die Waagschale der Waage.
2. Drücken Sie Tara, um die Waage auf Null zu stellen.
3. Wiege 5 Stücke Paraffin ab.
4. Messen Sie das Volumen der Paraffinprobe durch Wasserverdrängung.
5. a) Messen Sie 20 ml destilliertes Wasser mit dem Messzylinder ab.
6. b) Nimm das Boot mit den Paraffin-Stücken und gieße die Stücke in den Messzylinder, indem du sie gleiten lässt. Beobachte die Volumenvergrößerung.
7. c) Das Endvolumen abzüglich des Anfangsvolumens (20 ml) entspricht dem Volumen der Paraffinplättchen.
8. Überprüfen Sie, ob die Masse und das Volumen von Paraffin korrekt in die Ergebnistabelle auf dem Tablet eingetragen sind.
9. Die Masse von Paraffin geteilt durch sein Volumen ist gleich der Dichte von Paraffin (in g/mL).

Teil 2: Der Schmelzpunkt

7. Füllen Sie einen 500-ml-Becher mit kaltem Leitungswasser (ca. 6 °C).
8. Stellen Sie den Becher mit kaltem Wasser auf die Heizplatte.
9. Mithilfe einer Pinzette portionsweise Paraffin in die Wägeschale geben, bis eine Masse von 18 ml Paraffin (21,25 g) erreicht ist.
10. Gießen Sie das abgewogene Paraffin in ein leeres Reagenzglas.
11. Bringen Sie eine Universal-Klemme (untere Position) über der Mitte des Bechers am Ständer an.
12. Befestigen Sie das Reagenzglas mit der Universal-Klemme oberhalb der Mitte des Becherglases.
13. Befestigen Sie eine zweite Universalzwinge am Stativ (obere Position) über dem Reagenzglas.
14. Setzen Sie das Thermometer in das Reagenzglas ein, indem Sie es an der Universalklemme befestigen. Das Thermometer darf den Boden des Reagenzglases nicht berühren.
15. Starten Sie die Stoppuhr (roten Knopf).
16. Stellen Sie die Temperatur der Heizplatte auf 85 °C ein und warten Sie, bis die Temperatur auf 57 °C gestiegen ist. Das Paraffin beginnt ungefähr 1 Minute nach Erreichen der Temperatur von 57 °C zu schmelzen (eine Verzögerung ist also zu erwarten).

Die Temperatur im Reagenzglas steigt an, bleibt während des Schmelzens des Paraffins auf einem Plateau und steigt dann weiter an. Warten Sie, bis das Paraffin vollständig geschmolzen ist. Verfolgen Sie den Fortgang des Experiments anhand des Diagramms im Ergebnisteil des Tablets.

17. Stellen Sie die Temperatur der Heizplatte auf 15°C ein.

Erwartete Ergebnisse

Erwartete Ergebnisse.

Warum Verdrängung das Volumen ergibt. Ein unregelmäßiger Festkörper hat keine Formel für sein Volumen, aber er nimmt dennoch Raum ein: In Wasser getaucht verdrängt er genau sein eigenes Volumen an Flüssigkeit, und der Messwert des Messzylinders steigt um diesen Betrag. Bei einem Anfangswert von 20 ml liefert der Endwert das Paraffinvolumen direkt durch Subtraktion. Die Dichte ergibt sich dann wie folgt: ρ = m/V = 21,25 g ÷ 25 ml = 0,85 g/ml. Man beachte, was diese Zahl sofort offenbart – Paraffin ist weniger dicht als Wasser (1,00 g/ml), weshalb Kerzenwachs schwimmt.

Warum die Temperatur auf einem Plateau verharrt. Ein fester Stoff schmilzt, wenn seine Teilchen genügend Energie gewinnen, um aus ihrer geordneten Anordnung auszubrechen. Während dies geschieht, wird jedes vom Wasserbad zugeführte Joule für die Zersetzung der Struktur aufgewendet – die Schmelzwärme –, und keines bleibt übrig, um die Temperatur zu erhöhen. Das Diagramm steigt daher an, flacht bei etwa 57 °C ab, während das Paraffin schmilzt, und steigt erst wieder an, wenn der letzte feste Stoff verschwunden ist. Das Plateau, nicht ein einzelner Thermometerwert, ist die Messung.

Warum das Setup so aufgebaut ist, wie es ist. Das Wasserbad umgibt das Reagenzglas mit einem Medium, das gleichmäßig erhitzt und 100 °C nicht überschreiten kann, wodurch die Probe vor dem Verbrennen geschützt wird, das ein direkter Kontakt mit der Platte verursachen würde. Das Thermometer wird so eingespannt, dass es das Glas nicht berührt, da die von außen erwärmte Glaswand heißer ist als die Probe selbst; ein Berühren würde das Messergebnis nach oben verfälschen. Und die Verzögerung, vor der das Protokoll warnt, ist reale Physik: Wärme braucht Zeit, um sich durch Wasser und Wachs bis zum Thermometerkolben auszubreiten.

Zusammenfassung der Aufgaben nach Klassenstufen

9. bis 10. Klasse

• Fokus Dichte und Schmelzpunkt als stoffidentifizierende Eigenschaften sowie sorgfältige Messmethodik.
• Aktivitäten: Wiegen Sie die Paraffinstücke mit der Tara-Funktion; messen Sie ihr Volumen durch Verdrängung und berechnen Sie die Dichte; führen Sie das Schmelzexperiment durch und lesen Sie den Schmelzpunkt aus dem Diagramm ab; vergleichen Sie beide Ergebnisse mit den Erwartungswerten und schlagen Sie Gründe für eventuelle Abweichungen vor.

11. Klasse

• Fokus latente Wärme und die Interpretation einer Temperatur-Zeit-Kurve.
• Aktivitäten: Schmelzplateau und latente Schmelzwärme: Das Schmelzplateau entsteht, weil die zugeführte Wärmeenergie während des Phasenübergangs (von fest zu flüssig) nicht zur Erhöhung der Temperatur genutzt wird. Stattdessen wird diese Energie als latente Schmelzwärme aufgewendet, um die intermolekularen Kräfte im Kristallgitter des Paraffins zu überwinden. Thermometer und Wasserbad: Das Thermometer darf das Reagenzglas nicht berühren, da es sonst die Temperatur der Glaswand misst, die aufgrund des direkten Kontakts zur Wärmequelle höher sein kann als die der Probe. Ein Wasserbad wird verwendet, um eine gleichmäßige und kontrollierte Wärmeverteilung zu gewährleisten, was lokale Überhitzungen verhindert und präzisere Messergebnisse ermöglicht. Dichteberechnung: (Keine Werte angegeben, daher keine Berechnung möglich). Vorhersage der Kurve bei doppeltem Paraffin: Bei doppelter Masse an Paraffin wird das Schmelzplateau doppelt so lang sein, da die doppelte Menge an latenter Schmelzwärme benötigt wird, um den gesamten Stoff zu schmelzen. Die Schmelztemperatur selbst bleibt jedoch unverändert.

12. Klasse / College-Niveau

• Fokus intensive versus extensive properties, and measurement design.
• Aktivitäten: Klassifizieren Sie jede gemessene Größe als intensiv oder extensiv und begründen Sie die Klassifizierung; erklären Sie, warum ein schwimmender Feststoff die naive Verdrängung zunichte macht und wie die Messung in einem realen Labor gestaltet werden sollte; erklären Sie die Breite des Schmelzbereichs von Paraffin anhand seiner gemischten Kohlenwasserstoffzusammensetzung; geben Sie die Dichte mit den entsprechenden signifikanten Stellen an.

Labor-Grundausstattung

Instrumente

• Bechergläser (50 mL, 100 mL, 500 mL & 1000 mL)
• Elektronische Waage
• Messzylinder (70 ml & 100 ml)
• Heizplatte
• Laborstativ & Klemmen
• Magnetrührer
• Spatel
• Reagenzgläser
• Thermometer
• Timer
• Pinzette

Produkte

• Paraffin (Stücke)