Warum gefriert Meerwasser nicht bei 0 Grad Celsius?
Warum gefriert Meerwasser nicht bei 0 Grad Celsius? – Chemie: Meerwasser hat einen höheren Salzgehalt als Leitungswasser, wodurch der Gefrierpunkt gesenkt wird. Erfahre, warum Salzwasser bei ca. -2 °C gefriert und wie die Gefrierpunktserniedrigung funktioniert. Interessiert? Dies und vieles mehr findest du im folgenden Text!
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Grundlagen zum Thema Warum gefriert Meerwasser nicht bei 0 Grad Celsius?
Warum gefriert Meerwasser nicht bei 0 Grad Celsius? – Chemie
Hast du dich schon einmal gefragt, warum im Winter mit Salz gestreut wird? Wasser hat einen Gefrierpunkt von $\pu{0 °C}$. Daher beginnen Seen und Flüsse, ab dieser Temperatur zuzufrieren. Meerwasser dagegen gefriert bei diesen Temperaturen noch nicht. Aber warum ist das so? Welchen Unterschied gibt es zwischen Meerwasser und Süßwasser?
Ganz einfach: Meerwasser hat einen deutlich höheren Salzgehalt als unser Leitungswasser oder das Wasser in Seen und Flüssen. Dieser führt dazu, dass der Gefrierpunkt des Wassers durch die Zugabe von Salz gesenkt wird – Wasser gefriert dann bei einer niedrigeren Temperatur.
In diesem Lerntext erfährst du, einfach erklärt, wo der Gefrierpunkt von Salzwasser liegt und was die Gefrierpunktserniedrigung ist. Es werden die Fragen beantwortet, ob Salzwasser einfrieren kann, wann gesättigtes Salzwasser gefriert, warum Salzwasser langsamer als normales Wasser gefriert und was der Gefrierpunkt von Meerwasser ist.
Wann gefriert Salzwasser? – Erklärung und Definition
Wasser gefriert bei einer Temperatur von $\pu{0 °C}$ und Eis schmilzt bei eben dieser Temperatur. Wasser und Eis liegen dabei in einem Gleichgewicht vor. Es lösen sich genauso viele Wassermoleküle aus dem Eis, wie sich andere Wassermoleküle an das Eis binden. Das Gleichgewicht zwischen dem festen (links) und dem flüssigen (rechts) Zustand von Wasser kannst du im folgenden Bild sehen:
Warum hat Salzwasser einen niedrigeren Gefrierpunkt?
Wenn man Salz – in unserem Fall also Natriumchlorid ($\ce{NaCl}$) – dem Wasser zugibt, liegt es in gelöster Form vor. Es findet eine Ionenbildung statt: Es entstehen positiv geladene Natrium- und negativ geladene Chloridionen. Das positiv geladene Natriumion zieht das partiell negativ geladene Sauerstoffmolekül des Wassermoleküls an. Das Chloridion ist negativ geladen, sodass die partiell positiven Wasserstoffe des Wassermoleküls in Richtung des Chloridions zeigen. Man spricht dabei von der Hydratation von Ionen. Durch diesen Vorgang wird die Eiskristallbildung gestört und damit wird der Gefrierpunkt erniedrigt – man nennt dies auch Gefrierpunktserniedrigung.
Wenn eine Salzlösung nun gesättigt ist, kann das Wasser kein weiteres Salz mehr aufnehmen. Dieses gesättigte Salzwasser gefriert bei $\pu{-21 °C}$. Dies ist die maximal mögliche Gefrierpunktserniedrigung. In Meerwasser sind etwa $\pu{35 g//{\ell}}$ $\ce{NaCl}$ enthalten. Bei einer solchen Konzentration gefriert das Meerwasser bei $\pu{-2 °C}$. Übrigens spielen bei der Gefrierpunktserniedrigung natürlich auch andere Salze wie z. B. Sulfate eine Rolle und auch ihr Gehalt in der Lösung beeinflusst das Gleichgewicht zwischen flüssigem und festem Zustand.
In der Tabelle ist der Gefrierpunkt von Salzwasser verschiedener Konzentrationen gezeigt.
Gewässer | Salzkonzentration in $\pu{ g//{\ell}}$ | Gefrierpunkt in $\pu{°C}$ |
---|---|---|
Süßwasser | 0 bis 1 | 0,0 |
Brackwasser | 1 bis 10 | 0 bis −0,6 |
Meerwasser | 35 | −2 |
Totes Meer | 280 | ca. −21 |
gesättigte Kochsalzlösung | 356 | −21 |
Im folgenden Diagramm kannst du selbst den Gefrierpunkt von Salzwasser in Abhängigkeit der Konzentration abschätzen:
Warum wird im Winter Salz gestreut?
Bei einer Temperatur unter $\pu{0 °C}$ beginnt Wasser zu gefrieren. Es entsteht ein festes Kristallgitter. An der Eisoberfläche sind die Wassermoleküle jedoch nur lose miteinander verbunden – sie bilden einen dünnen Wasserfilm. Gibt man nun Salz, also Natriumchlorid, auf diesen Wasserfilm, wird die Gitterstruktur des Natriumchlorids aufgelöst. Die positiv geladenen Natriumionen und die negativ geladenen Chloridionen werden von den Wassermolekülen umgeben, sodass sich diese weniger an das Eis binden können. Dieser Vorgang bewirkt, dass durch die Natrium- und Chloridionen kontinuierlich Wassermoleküle aus dem Eiskristall herausgelöst werden. Die Kristallbildung wird gestört, das Eis taut und es entsteht eine Salzlösung. Die Zugabe von Salz zu Wasser verhindert zudem, wie wir im vorherigen Abschnitt gesehen haben, dass Wassermoleküle bei unter 0 Grad Eiskristalle aufbauen, denn die Salzlösung gefriert erst bei geringeren Temperaturen – der Gefrierpunkt des Wassers sinkt.
Die Tatsache, dass sich das Eis bei Zugabe von Salz auflöst, macht man sich im Winter zunutze. Durch Salzstreuen werden die Straßen wieder eisfrei.
Dieses Video
In diesem Video lernst du, warum Meerwasser nicht bei null Grad gefriert. Außerdem weißt du nun auch, warum man im Winter Salz streut, um das Eis auf den gefrorenen Straßen zu beseitigen.
Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!
Transkript Warum gefriert Meerwasser nicht bei 0 Grad Celsius?
Wir nutzen es meist ohne nachzudenken: Das Wasser. Dabei ist es nicht nur nass, sondern hat auch noch andere Eigenschaften, beispielsweise gefriert es bei null Grad Celsius. Der Chemiker Andreas Celler vom University College in London zeigt uns in einem Experiment, warum Salzwasser sich ganz anders verhält. Celler nimmt dafür eine Schüssel voll mit Eiswürfeln. Das Thermometer zeigt null Grad an. Das ist gleichzeitig der Gefrierpunkt von Wasser und der Schmelzpunkt für Eis. Bei null Grad entsteht ein Gleichgewicht zwischen Wasser und Eis, Wassermoleküle lösen sich aus dem Eis und gleichzeitig binden sich andere Wassermoleküle an das Eis. Nun gibt Celler ein wenig Kochsalz dazu und rührt. Die Temperatur geht weiter runter. Aber, schau an, das Wasser gefriert nicht. Der Grund: Die Natrium-und Chloridionen aus dem gelösten Salz, hier in blau und rot dargestellt, bringen das Gleichgewicht aus den Fugen. Die geladenen Teilchen umgeben sich mit den Wassermolekülen. Das führt dazu, dass die Anzahl von Wassermolekülen, die vom Eis eingenommen werden können, weniger sind. Das Wasser gefriert langsamer, Wissenschaftler nennen das die Gefrierpunktserniedrigung. Und der aus Italien stammende Chemiker Andreas Celler gibt noch mehr Salz ins Eis. Aber irgendwann geht der Gefrierpunkt auf dem Thermometer nicht mehr weiter runter und zwar bei minus einundzwanzig Grad Celsius. Der Grund: Das Wasser kann kein Salz mehr aufnehmen, man spricht von einer gesättigten Lösung. Ganz so viel Salz ist in Meerwasser übrigens nicht enthalten. Meistens sind es in etwa fünfunddreißig Gramm pro Liter. Das ist aber genug, um das Meer später zufrieren zu lassen. Ungefähr bei minus zwei Grad.
Warum gefriert Meerwasser nicht bei 0 Grad Celsius? Übung
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Beschreibe das Experiment zum Lösen von Salz im Eiswasser.
TippsFür das Schmelzen von Eis wird Wärme benötigt.
Wird einem Stoff Wärme entzogen, sinkt seine Temperatur.
Wenn ein Lösungsmittel kein Salz mehr aufnehmen kann, liegt eine gesättigte Lösung vor. Weiteres Salz wird ausfallen und einen Niederschlag bilden.
Die Löslichkeit von Salz ist von der Temperatur abhängig. Je geringer die Temperatur des Lösungsmittels, desto weniger Salz kann gelöst werden und desto länger dauert es auch, das Salz in Lösung zu bekommen.
LösungZu jedem Versuchsprotokoll gehören auch immer eine Versuchsdurchführung und eine Beobachtung. Eine Skizze des Versuchsaufbaus erleichtert dabei das Verständnis des Vorgehens.
Um eine Kältemischung herzustellen, brauchen wir nur drei Dinge: Wasser, Eis und einen löslichen Stoff, wie Kochsalz.
Eis ist Wasser in gefrorener Form. Seine Temperatur liegt unter dem Gefrierpunkt des Wassers, also unter 0 °C. Mischen wir Wasser mit Eis, gleichen sich die Temperaturen des Wassers und des Eises an. Geben wir einen Überschuss an Eis hinzu, wird die Temperatur der Mischung genau beim Gefrierpunkt von Wasser stabil stehen bleiben, solange auch nur noch etwas Eis vorhanden ist.
Gibt man nun einen löslichen Stoff wie Kochsalz ins Wasser, sinkt der Gefrierpunkt der Mischung ab. Je mehr Salz im Wasser gelöst ist, desto tiefer sinkt der Gefrierpunkt der Mischung. Bis zu dem Punkt, an dem kein Salz mehr gelöst werden kann. Dies ist bei Kochsalz bei ca. -21 °C der Fall.
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Gib die Bilder an, die den Teilchenzuständen am Gefrierpunkt mit und ohne Salz am besten entsprechen.
TippsDie Summenformel von Wasser ist $H_2O$.
Wasser bildet im flüssigen Zustand Wasserstoffbrücken aus. Zudem ist es ein starker Dipol. Dadurch werden auch Ionen von Wassermolekülen umschlossen. Dies nennt man Solvatisierung.
LösungIn einem Eiskristall sind die Wassermoleküle in einer hexagonen dreidimensionalen Struktur gebunden. Die Hohlräume entstehen durch die Eigenschaft des Wassers Wasserstoffbrücken auszubilden. Diese werden durch die gestrichelte Linie in der Struktur angedeutet.
Am Gefrierpunkt liegt ein Gleichgewicht zwischen Wassermolekülen in der Eisstruktur und als flüssiges Wasser vor. Gibt man Ionen ins Wasser, kommt es zur Solvatisierung der Ionen durch die Wassermoleküle in der flüssigen Phase. Wasser ist ein Dipol und wird nach dem Coulomb-Gesetz Ionen stets das Molekülende mit der entgegengesetzten Ladung entgegenrichten.
Die Wassermoleküle, die zur Solvatisierung beitragen, fehlen im bestehenden Gleichgewicht zwischen Eis und Wasser. Daher müssen Wassermoleküle die Eisstruktur verlassen, um das Gleichgewicht wiederherzustellen.
Da hierzu Wärmeenergie benötigt wird, kühlt sich die Umgebung, also das Wasser stark ab. Gleichsam sinkt auch der Gefrierpunkt des Wassers.
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Vergleiche die Eigenschaften von Meerwasser und Trinkwasser.
TippsWelche Unterschiede zwischen Meerwasser und Trinkwasser kannst du alleine mit deiner Nase und Zunge wahrnehmen?
LösungTrinkwasser und Meerwasser unterscheiden sich in vielen Eigenschaften voneinander.
Physiologische Eigenschaften
Der einfachste Unterschied ist der Geschmack und auch der Geruch von Trinkwasser und Meerwasser. Während das Trinkwasser geschmacksneutral und geruchlos ist, schmeckt Meerwasser salzig und riecht auch unverkennbar nach Meer.Zudem unterscheidet sich auch die Wirkung auf den menschlichen Körper. Während „sauberes“ Trinkwasser ein für uns lebensnotwendiges Gut ist, vertragen wir nur in kleinsten Mengen Meerwasser. Dies liegt am Effekt der Osmose. Dabei versucht sich der Salzgehalt im Meerwasser und im Körperinneren auszugleichen. Beim Verschlucken von Salzwasser würde also Wasser aus dem Körper versuchen, das Meerwasser im Magen zu verdünnen.
Physikalische Eigenschaften
Während Trinkwasser den Strom nur mäßig leitet, leitet Meerwasser den Strom etwas besser, da im Meerwasser deutlich mehr freie Ionen vorliegen als im Trinkwasser. Aus dem gleichen Grund ist die Dichte des Meerwassers auch höher als die Dichte des Trinkwassers.Auch die Gefrierpunkte und Siedepunkte von Trinkwasser und Meerwasser unterscheiden sich.
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Ermittle die Beobachtungen und die Erklärung für das beschriebene Experiment.
TippsUm Eis zum Schmelzen zu bringen, wird Wärme benötigt.
Wenn einem System Wärme entzogen wird, sinkt die Temperatur des Systems.
LösungBei der Zugabe von Salz in Eiswasser schmilzt ein Teil des Eises. Für das Schmelzen des Eises wird Wärme benötigt, diese kommt aus der Umgebung.
Dadurch sinkt nicht nur die Temperatur des Eiswassers, auch Körper innerhalb und außerhalb des Eiswassers werden abgekühlt. So gefriert das Trinkwasser im Reagenzglas und auch die Luftfeuchtigkeit gefriert außen am Eiswassergefäß.
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Nenne die Stoffe, die du benötigst, um die im Video gezeigte Kältemischung herzustellen.
TippsEine Kältemischung besteht immer aus einem Stoff, der in zwei Aggregatzuständen vorliegt, und einem darin löslichen Stoff.
Wasser ist ein polares Lösungsmittel.
LösungIm Video wurde eine Kältemischung aus Wasser, Eis und Kochsalz hergestellt. Kältemischungen dienen nicht nur zur Kühlung, sondern können auch, solange noch Eis vorhanden ist, die Temperatur sehr lange konstant halten. Dies ist für viele Experimente in der Chemie und Physik wichtig.
Weitere interessante Fakten zu Kältemischungen
Bei einer Mischung aus Wasser, Eis und Kochsalz kann man den Gefrierpunkt auf bis zu -21 °C absenken. Mit Eis und dem Salz Calciumchlorid, lassen sich Mischungen herstellen, deren Gefrierpunkt bei -50 °C liegen. Mit einem anderen Lösungsmittel und unter Zugabe von flüssigem Stickstoff als gelöstem Stoff, lassen sich theoretisch Mischungen herstellen, deren Gefrierpunkte bei bis zu -196 °C liegen. -
Rechne mit der Gefrierpunktserniedrigung.
TippsWasser hat eine Dichte $\varrho$ von ca. $1\frac{g}{cm^3}$. Sie gibt an, wie viel ein bestimmtes Volumen eines Stoffes wiegt.
Kochsalz ist Natriumchlorid. Die Molmasse von Natriumchlorid ist $58,44 \frac{g}{mol}$.
Vergiss nicht, alles in SI-Einheiten umzurechnen. Die SI-Einheiten sind in diesem Fall: $kg$, $K$, $L$ und $m^3$.
LösungDie Gefrierpunktserniedrigung $\Delta T_G$ gibt an, um wie viel Kelvin der Gefrierpunkt gesenkt wurde.
Aufgabe Teil 1
Um die Gefrierpunktserniedrigung zu berechen, fehlen uns aber noch ein paar Größen.Gegeben:
$k_G=1,853 \frac{K \cdot kg}{mol},~~V(Lm)=100mL,~~m(B)=50g=0,05kg$Gesucht:
$M(B),~~m(Lm),~~\Delta T_G$Rechnung:
Die molare Masse von Kochsalz ist die molare Masse von Natriumchlorid. Diese lässt sich in jedem PSE leicht ablesen: $M(NaCl)= 58,44 \frac{g}{mol}=0,05844 \frac{kg}{mol}$.Um die Masse des Wasser zu bestimmen, brauchen wir die Dichte des Wassers. Diese ist genau $1\frac{g}{cm^3}$. Da $1 mL=1 cm^3$ gilt, können wir die Masse nun leicht bestimmen.
$m(Lm)=V(Lm)\cdot \varrho(Lm)=100cm^3 \cdot 1\frac{g}{cm^3}=100g = 0,1kg$
Nun haben wir alle Werte, die wir brauchen und setzen ein.
$\Delta T_G=\dfrac{k_G \cdot m(B)}{M(B)\cdot m(Lm)}=\dfrac{1,853 \frac{K \cdot kg}{mol} \cdot 0,050kg}{0,05844 \frac{kg}{mol}\cdot 0,1kg}\approx 15,9 K$
Antwortsatz:
Die Kältemischung aus Eis, Wasser und Kochsalz würde erst bei -15,9°C gefrieren.Aufgabe Teil 2
Für den zweiten Aufgabenteil musst du zunächst die Gleichung nach $m(B)$ umstellen.$m(B)=\frac{\Delta T_G \cdot M(B)\cdot m(Lm)}{k_G}$
Gegeben:
Wir können wieder die Werte für $k_G$, $M(B)$ und $m(Lm)$ aus dem ersten Aufgabenteil nutzen. Für $\Delta T_G$ können wir aus der Aufgabenstellung $21 K$ ablesen.Gesucht:
$m(B)$Rechnung:
$m(B)=\dfrac{\Delta T_G \cdot M(B)\cdot m(Lm)}{k_G}=\dfrac{21 K \cdot 0,05844 \frac{kg}{mol}\cdot 0,1kg}{1,853 \frac{K \cdot kg}{mol}}\approx 0,066kg \approx 66g$Antwortsatz:
In $100mL$ einer Kältemischung, bestehend aus Eis, Wasser und Kochsalz, die erst bei -21°C gefriert, sind ca. $66g$ Kochsalz gelöst.
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Spannendes Video:)