Warum sieden Stoffe bei vermindertem Druck früher- Erklärung mit Teilchenmodell gesucht?
Frage steht oben. Danke im Voraus.
2 Antworten
Stoffe Sieden, sobald ihr sogn. Dampfdruck genauso groß ist, wie der äußere Druck. Der Dampfdruck ist ein Maß für die Tendenz zu verdampfen und steigt mit der Temperatur (ca. exponentiell). Normalerweise ist der äußere Druck 1,013 bar, aber auf höhen Bergen oder Flugzeugen niedriger, in einem Schnellkochtopf höher! Ist der Außendruck kleiner als 1 bar, reicht auch eine niedrigere Temperatur um zu Sieden!
Auch Feststoffe besitzen einen Dampfdruck (Eis sublimiert in der Sonne, trotz Kälte) und Flüssigkeiten verdampfen, obwohl sie noch nicht ihre Siedetemperatur erreicht haben (quasi Trocknen!)
"Sieden" heißt, dass die Teilchen der Flüssigkeit genug kinetische Energie haben um den Flüssigkeitsverband zu verlassen und in die Gasphase überzugehen.
Zum Einen muss Energie aufgewendet werden, damit die Teilchen der Flüssigkeit die zwischenmolekularen Bindungen überwinden- das wäre im Wesentlichen die Verdampfungsenthalpie, die kaum druckabhängig ist.
Zum Anderen muss bei Übertritt in die Gasphase eine Volumenarbeit geleistet werden, d.h. die Teilchen vergrößern ihren mittleren Abstand zu einander und gehen damit in die Gasphase über. Je höher der Umgebungsdruck, desto schneller müssen sich die Teilchen bewegen um diesen Abstand zu gewinnen und zu halten, Ergo, je höher der Druck desto höher die Siedetemperatur.
Alternativ kann man das Teilchenmodell auch so interpretieren, dass der äußere Druck das ständige Auftreffen von (Luft)Teilchen auf die Phasengrenze (Flüssigkeitsoberfläche) darstellt. Je höher der Druck, desto mehr Teilchen treffen auf die Grenzfläche und verhindern, dass die Flüssigkeitsteilchen austreten. Um sich gegen den höheren (Luft-)Teilchenanprall durchzusetzen, müssen die Teilchen der Flüssigkeit höhere Geschwindigkeiten aufnehmen, was als Siedepunktserhöhung erscheint.
Du wirfst offene und geschlossenen System und Partialdruck & Dampfdruck durcheinander & Du erklärst nicht warum ein Siedepunkt druckabhängig ist.
Natürlich hat jeder Stoff in einem abgeschlossenen System bei jeder messbaren Temperatur einen (theoretischen) Dampfdruck der je nach Stoff und Näherung an den absoluten Nullpunkt gegen Null geht. Das liegt an der Verteilungskurve der kinetischen Energie der Teilchen (google mal Maxwell-Boltzmann-Verteilung). Die höher energetischen Teilchen sind u.U. in der Lage die intermolekularen Kräfte zu überwinden und in die Gasphase zu wechseln (-> Phasenumwandlung).
Bei einem offenen System wird die Gasphase abgeführt und man bekommt "Verdunstung". Die Energie wird aus der Umgebung aufgenommen (offenes System). Je höher die Temperatur desto höher die Verdunstungsrate (weil mehr Teilchen auf der rechten Seite der Maxwell-Boltzmann-Verteilungskurve liegen und die Bindungskräfte überwinden können.
Die Energie zur Phasenumwandlung ist für alle praktischen Zwecke druckunabhängig.
Der äußere Druck spielt eine Rolle beim Siedepunkt, weil beim Übergang in die Gasphase Arbeit gegen den Umgebungsdruck geleistet wird; diese Arbeit wird geringer bei niedrigeren Drücken und die "eingesparte" Energie steht für den Phasenübergang zur Verfügung.
Das gängige Teilchenmodell für den Schulgebrauch erklärt den Effekt durch die bei höheren Drücken größerer Teilchenzahl in der Gasphase, die auf die Phasengrenze wirkt und das Austreten der Teilchen aus der Flüssigphase verhindert.
Ich werfe gar nichts durcheinander! Und das von jemanden, der nicht mal Sieden und Verdampfen unterscheiden kann!
Der Dampfdruck steigt mit der Temperatur, weil die mittlere kinetische Energie der Teilchen steigt (muss ich Dir das echt 'erklären'?), wodurch auch die Teilchenzahl der Teilchen steigt, die durch die ungleichmäßige Verteilung der Energie aufgrund der MAXWELL-BOLZMANN-Verteilung genug Energie besitzen, um zu verdampfen, wodurch die mittlere Energie und Geschwindigkeit der verbliebenen Teilchen sinkt! Das muss noch übrigens alles nicht googeln, sondern schüttele das nach 25 Jahren aus dem Ärmel!
Du willst es mit VerdampfungsEnthalpie und VolumenArbeit 'erklären', aber das klappt einfach nicht! Im Mittel mag das stimmen, aber dann kannst du nicht gleichzeitig im Teilchenmodell argumentieren! In der Gasphase sind unter Normalbedingungen 10 Teilchendurchmesser Platz zwischen den Teilchen, was bedeutet, dass in einem 10×10 Quadrat nur das mittelere in einem Moment, von einem Teilchen getroffen wird, und DAS ist gerade das Teilchen, das verdampfen wollte?
Auch erklärst Du nicht, warum Flüssigkeiten auch ohne Siedetemperatur verdampfen!? Dafür nimmt man entweder den Dampfdruck ODER die Bolzmann-Verteilung! Die Argumentation mit VolumenArbeit funktioniert dafür nicht, weshalb es ein schlechtes Modell zur Erklärung ist, selbst wenn es gutes mathematisches zur Berechnung sein sollte!
Ich denke wir lassen diese Diskussion besser; Du scheinst meinen Text nicht zu lesen oder nicht zu verstehen und ich brauche auch die schnöseligen Antworten eines offenkundigen Laien nicht unbedingt. Drum, Glückauf und weiterhin fröhliches dilettieren....
emm, hmm,
Stoffe verdampfen auch, ohne zu Sieden! Beim Sieden werden aber auch Teilchen gasförmig, die NICHT an der Oberfläche sind! Dazu müssen tendenziell fast alle Teilchen genug Energie besitzen, also Siedetemperatur besitzen! (Bei idealer Durchmischung!).
Der Luftdruck verhindert nicht das Verdampfen, schon gar nicht die einzelnen LuftTeilchen, die auf die Oberfläche treffen! Die Flüssigkeitsteilchen stehen mit ihren gasförmigen Teilchen im Ideal-Fall in einem dynamischen Gleichgewicht! In offenen Gefäßen verdampft aber praktisch jede Flüssigkeit nach und nach, weil das LuftReservoir darüber quasi unendlich groß ist und so eine Einstellung des Gleichgewichts verhindert wird! Dies erreicht man nur in einem geschlossenen Gefäß!
Wenn man stabiles Gefäß (Stahl) mit definiertem Volumen nimmt (2 L), ein definiertes Volumen (1 L) einer Flüssigkeit einfüllt (Wasser), das ganze gut verschließt und die Luft entfernt (VakuumPumpe), füllt sich von ganz allein der GasRaum (1L) mit Wasserdampf! Der Druck, den man dann messen kann (Barometer) ist der Dampfdruck des Wassers, bei der jeweiligen Temperatur! Auf Teilchenebene verdampfen dann der Oberfläche genauso viele Teilchen, wie gerade wieder kondensieren! Die Volumenabnahme ist vernachlässigbar und beträgt bei 20 °C weniger als 1 ml, also weniger als 0,1 %! (24 L/mol; 18 u; 1 g/ml). Beim Abkühlen kondensieren mehr Teilchen, als Folge sinkt der Druck! Beim Erwärmen steigt der Druck, weil mehr Verdampfen! Das passiert so lange, bis sich wieder ein neues dynamisches Gleichgewicht eingestellt hat! Mit den LuftTeilchen hätte das sehr wenig zu tun! Der Luftdruck verhindert, dass der PhasenÜbergang bei zu niedrigen Temperaturen auch innerhalb der Flüssigkeit passiert (bzw die Gasblasen bis an die Oberfläche kommen). Erst dann würde man auch von Sieden sprechen, weil die Flüssigkeit dann 'blubbert' und nicht nur an der Oberfläche langsam verdampft!
Wenn man nicht mit einem Vakuum startet, sondern einem bestimmten Luftdruck, stellt sich automatisch ein Gesamtdruck ein, der im Vergleich zum Dampfdruck genau um den StartLuftDruck erhöht ist! Das liegt daran, dass der Dampfdruck NUR von der Temperatur abhängt und NUR mit dem eigenen Partialdruck im Gleichgewicht steht und rein gar nichts mit dem Luftdruck zu tun hat!