Über das seltsame Verhalten von
heißem und kaltem Wasser
Auf dieser Seite wird erklärt wie man Wasser unter den Gefrierpunkt abkühlt und über 100 Grad erhitzt, ohne dass es zu Eis erstarrt oder zu kochen beginnt. Diese Pänomene sind auch unter den Begriffen unterkühltes Wasser und Siedeverzug bekannt.
Ein ausgesprochen paradoxer Effekt ist der, nach dem heißes Wasser unter bestimmten Bedigungen schneller gefriert als kaltes. Dieses Phänomen trägt den Namen Mpemba-Effekt.
Zudem kann man lernen wie Handwärmer, auch Wärmekissen oderInstant Ice genannt, funktionieren.
Zum Abschluss gibt es noch einen Trick wie man Getränke ganz besonders schnell abkühlen kann. Man braucht dazu nur Eis und Salz und stelle damit eine Kältemischung her.
Unterkühltes Wasser und Blitzeis
Jeder hatte wohl schon einmal mit Blitzeis oder Eisregen zu kämpfen. Er entsteht, wenn Regenwasser mit einer Temperatur unter dem Gefrierpunkt auf den Boden auftrifft und schlagartig erstarrt. Die Straßen gleichen dann einer Schlittschuhbahn.
Der Fachbegriff für dieses Phänomen ist Supercooling, Unterkühlung oder unterkühlte Schmelze.
Zu diesem Phänomen kommt es, wenn im Wasser Kristallisationspunkte wie Schmutzzteilchen fehlen, denn an ihnen bilden sich die Eiskristalle normalerweise aus. So bleibt es dem Zufall überlassen, wann sich genug Wassermoleküle so anorden, dass Kristalle entstehen können. Bewegung begünstigt diesen Prozess, weshalb es sofort zu Eisbildung kommt, wenn die Regentropfen den Boden berühren.
Eine spontane und geordnete Ansammlung von Wassermolekülen wird auch Eiskristall-Embryo genannt.
Fehlen diese, so bleibt Wasser trotz Minusgraden flüssig. Man kann es unter entsprechenden Bedingungen sogar auf bis zu minus 40 Grad Celsius abkühlen, ohne dass es erstarrt.
Blitzeis kann man auch leicht zuhause herstellen.
Am besten
verwendet man destilliertes Wasser sowie eine sehr saubere Flasche mit glatter Oberfläche und ohne Kratzer. Dann kühlt man das Ganze draußen in einer eisigen Winternacht ab. So kann man sicher sein, dass die Flasche keinerlei Erschütterungen ausgesetzt ist, wie dies zum Beispiel in einer Gefriertruhe beim Öffnen oder Schließen der Fall ist. Nimmt man dann die Flasche und schüttelt sie leicht, entsteht Eis. In dem Video ist der Effekt schön zu erkennen.
Der Mpemba-Effekt oder das seltsame Verhalten von heißem Wasser
Dass warmes Wasser unter bestimmten Umständen schneller gefriert als kaltes ist seit den alten Griechen bekannt. So schrieb schon Aristoles: "Wenn man Wasser zuerste erhitzt, trägt dies zur Geschwindigkeit bei, mit der das Wasser gefriert, denn es kühlt dann schneller ab." Auch andere Gelehrte hatten diese Beobachtung gemacht, bis das Phänomen im 20. Jahrhundert - zumindesten in der wissenschaftlichen Gemeinde - in Vergessenheit geriet. Nicht so im Volke: Zahlreiche Alltagsweisheiten zeugen davon, dass das seltsame Verhalten von heißem Wasser bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt durchaus bekannt war. So soll man zum Autowaschen bei Frost zum Beispiel kein warmes Wasser benutzen. Auch die Lebensmittelindustrie wusste wohl schon immer um diesen Effekt.
Offiziell wiederentdeckt wurde er jedoch erst 1963 in Tansania von dem Schüler Erasto Mpemba. In der Schule machten die Jugendlichen Speiseeis. Dazu wurde Milch erhitzt. Obwohl Mpemba warten sollte, bis diese abgekühlt war, stellte er sie sofort in die Kühltruhe. Dort standen bereits identische Gefäße mit Milch, die deutlich kälter waren. Zu seinem Erstaunen stellte Mpemba fest, dass seine dennoch zuerst gefror.
Sowohl Lehrer als auch Mitschüler machten sich über Mpemba lustig, als er ihnen von seiner Entdeckung erzählte.
Trotzdem oder vielleicht gerade deshalb, wiederholte er den Versuch mit Wasser und Milch, und kam auf immer dasselbe Ergebnis.
Erst Professor Denis Osborne der nahen Universität schenkte der Entdeckung bei einem Schulbesuch Beachtung. Zurück an der Universität trug er einem Mitarbeiter auf, Wasser unterschiedlicher Temperatur in die Gefriertruhe zu stellen. Auch hier gefror die wärmere Flüssigkeit zuerst. Treuherzig versicherte der Mitarbeiter dem Professor, dass er den Versuch nochmals wiederholen würde, um so auf das richtige Ergebnis zu kommen.
Der Mpemba-Effekt funktioniert übrigens nur, wenn man zwei Behälter, die vollkommen identisch sind mit derselben Menge einer Flüssigkeit füllt. Als Temperatur empfiehlt sich 100 Grad und Raumtemperatur.
In dem Video wird gezeigt, was geschieht, wenn man kochendes Wasser bei Temperaturen deutlich unter Null in die Luft wirft: Es gefriert schlagartig und macht dabei auch noch interessante Geräusche.
Der Mpemba-Effekt ist bis heute noch nicht schlüssig erklärt. Es gilt jedoch als anerkannt, dass Verdunstung ein Grund für das Verhalten der heißeren Flüssigkeit ist. Wenn sie verdunstet bleibt weniger Masse übrig, die gefrieren muss. Außerdem wird der Flüssigkeit durch die Verdunstung zusätzlich Energie entzogen. Experimente legen jedoch nahe, dass dies nicht die einzige Ursache für den Effekt sein kann.
Ein weiterer Grund ist wohl
Konvektion: In der warmen Flüssigkeit herrscht Bewegung. Das begünstigt nicht nur den Abtransport von Wärme sondern auch die Bildung von Eiskristallen.
Dampfexplosionen durch Siedeverzug
Wasser kocht bekanntermaßen unter Normalbedingungen bei 100 Grad Celsius. Es ist jedoch möglich, Wasser auch über diese Temperatur zu erhitzen, ohne dass es zu sieden beginnt.
Aber: Rührt man es dann um oder gibt etwas hinein, entweicht Wasserdampf explosionsartig (siehe Video).
Dieses Phänomen bezeichnet man als Siedeverzug und ist nicht ganz ungefährlich.
Zum Siedeverzug kommt es, wenn man eine Flüssigkeit erhitzt und so genannte Kondensationskeime fehlen, an denen sich Dampfblasen ausbilden können. Bei diesen Kondensationskeime kann es sich um Schmutzpartikel in der Flüssigkeit oder an der Gefäßwand handeln.
Oft entsteht Siedeverzug, wenn man Wasser in der Mikrowelle erhitzt. Der Grund: In der Mikrowelle wird der zu erwärmende Inhalt oft schneller heiß als das Gefäß, in dem er sich befindet. Es daher möglich, dass das Wasser an der Gefäßwand noch keine 100 Grad Celsius erreicht hat, während es im Innern bereits auf Siedetemperatur ist.
Anders ist dies, wenn man Wasser auf dem Herd erhitzt . Dort ist der Topf meist heißer als der Inhalt und an der Topfoberfläche und vor allem auf dem Boden bilden sich bereits früh die ersten Dampfblasen.
Möchte man zuhause mit dem Siedeverzug experimentieren (Achtung: Verbrennungsgefahr!), so nimmt man ein sauberes Glas oder einen Becher und macht damit Wasser in der Mikrowelle heiß. Am Boden und an der Glaswand werden Siedekeime durch kleine Bläschen sichtbar. Diese kann man durch Klopfen entfernen. Dabei fasst man das Glas am besten nur mit Schutzhandschuhen an. Man wiederhole dies noch ein bis drei mal, stellt das Glas dann in ein Spülbecken und wirft ein bißchen Zucker hinein. Laut Wikipedia ist es möglich Wasser auf 110 Grad Celsius zu erhitzen, ohne dass es siedet.
Wärmekissen selber bauen
Für dieses Experiment benötigt man den Lebensmittelzusatzstoff Natriumacetat, den man in manchen Apotheken bekommt.
Dieses Salz ist sehr gut wasserlöslich und schmilzt bei 58 Grad Celsius.
Wie in dem Video zu sehen, erwärmt man das Natriumacetat zunächst in Wasser und löst es darin auf. Dann stellt man das Gemisch in den Kühlschrank und kühlt es deutlich unter den Schmelzpunkt ab.
Dabei bleibt das in Wasser gelöste Natriumacetat zunächst flüssig.
Erst wenn man es berührt, bilden sich Kristalle oder Instant Ice aus.
Damit das Natriumacetat in Handwärmern oder Wärmekissen kristallisiert, besitzen sie normalerweise ein kleines Metallstück, das man knickt. Dadurch entsteht ein Kristallisationspunkt. Möchte man es wieder verflüssigen legt man es in heißes Wasser.
Achtung: Die Flüssigkeit wird beim Kristallisationsprozess sehr warm bis heiß.
Die Kältemischung
Schon die alten Römer aßen gerne Eis. Zur Herstellung verwendeten sie einen einfachen Trick, der auch heute noch hilfreich sein kann, wenn man Gäste erwartet und vergessen hat die Getränke kaltzustellen.
Die so genannte Kältemischung, die man verwendet, besteht aus einem Gemisch aus zerstoßenem Eis oder Eiswürfeln, in das man Kochsalz gibt. Laut Professor Blume, der eine Versuchsreihe mit verschiedenen Salzen gemacht hat, kann man mit einer Mischung aus 33 Gramm Kochsalz auf 100 Gramm Eis Temperaturen von -21 Grad Celsius erreichen.
Diese tiefen Temperaturen kommen zustande, weil sich Salz in der dünnen Wasserschicht löst, die sich auf dem Eis befindet. Dieser Vorgang verbraucht Energie, die der Umgebung entzogen wird und sich in sinkenden Temperaturen bemerkbar macht.
Es bedarf jedoch nicht nur Energie
um die Natrium- und Chloridionen aus ihrem Kristallgitterverbund zu brechen. Da sich auf unserem Eis immer eine dünne Schicht Wasser befindet, die von dem Salz "verbraucht" wird, muss ständig neues Wasser nachgebildet werden. Auch das Schmelzen des Eis verbraucht jedoch Energie.
Wird bei Glatteis Salz auf die Straße gestreut, löst sich das Salz im Wasser und das Eis taut nach und nach ab - und das, obwohl die Temperatur gleichzeitig sinkt!
