Schmelzen und Erstarren

Ein Becherglas mit Eis, das durch die Raumluft erwärmt wurde, blieb beim Schmelzen über eine halbe Stunde lang bei genau 0 °C.

Stelle ein Becherglas mit Eis bei −12 °C auf den Labortisch. OpenStax zeigt, was geschieht. Nach zehn Minuten hat sich das Eis auf 0 °C erwärmt, und ein wenig ist geschmolzen. Dreißig Minuten später ist mehr geschmolzen, doch das Thermometer zeigt noch immer 0 °C. Erst wenn das letzte Eis verschwunden ist, steigt die Temperatur wieder und erreicht 22.2 °C. Die ganze Zeit hat das Eis Wärme aus dem Raum aufgenommen. Während des Schmelzens erhöhte diese Wärme die Temperatur jedoch nicht.

Wohin die Wärme geht

In einem Kristall wird jedes Molekül von seinen Nachbarn an seinem Platz gehalten. Beim Erwärmen eines Festkörpers schwingen die Moleküle stärker, und die Temperatur steigt. Am Schmelzpunkt reichen die Schwingungen aus, um Moleküle aus ihren festen Plätzen zu lösen. Von da an dient die zugeführte Energie dazu, diese Anziehungskräfte zu überwinden, nicht die Bewegung zu beschleunigen. Die Temperatur bleibt daher gleich, bis der ganze Festkörper flüssig geworden ist. Die Energie, die zum Schmelzen eines Mols eines Festkörpers nötig ist, heißt molare Schmelzenthalpie. Für Eis beträgt sie 6.01 kJ/mol; zum Schmelzen von 18.02 g Eis braucht man also 6.01 kJ.

Wie viel sind 6.01 kJ/mol? Vergleiche das mit dem Erwärmen. Flüssiges Wasser benötigt 4.18 J, um 1 g um 1 °C zu erwärmen; für 18.02 g sind das etwa 75.3 J pro Grad. Die 6.01 kJ, die dieses Mol Eis schmelzen, könnten das Schmelzwasser stattdessen um 6010 ÷ 75.3 ≈ 80 °C erwärmen. Deshalb bleibt ein Getränk mit Eis so lange kalt: Jeder Würfel nimmt viel Wärme auf, bevor er verschwunden ist. Bis dahin bleibt das Getränk nahe 0 °C.

Beim Gefrieren läuft derselbe Vorgang rückwärts ab. Wenn flüssiges Wasser bei 0 °C zu Eis wird, gibt es pro Mol 6.01 kJ ab. Schmelzen nimmt Wärme auf (ist endotherm); Gefrieren gibt Wärme ab (ist exotherm). Schmelzen und Gefrieren erfolgen bei derselben Temperatur. Der Schmelzpunkt von Eis und der Gefrierpunkt von Wasser haben daher denselben Zahlenwert. In einem vollkommen wärmeisolierten Gefäß bleibt ein Gemisch aus Eis und Wasser bei dieser Temperatur, wobei Schmelzen und Gefrieren gleich schnell ablaufen.

Jeder Stoff hat seinen eigenen Schmelzpunkt

Wie heiß ein Festkörper werden muss, bevor er schmilzt, hängt davon ab, wie stark sich seine Teilchen anziehen. Die folgenden Werte gelten bei einem Druck von 1 atm und stammen aus dem NIST Chemistry WebBook. Quecksilber ist das einzige Metall in der Liste, das bei Raumtemperatur flüssig ist. Es erstarrt bei −38.84 °C; unterhalb dieser Temperatur funktioniert ein Quecksilberthermometer deshalb nicht mehr. Stickstoff und Sauerstoff, deren Moleküle nur durch schwache Kräfte zusammengehalten werden, schmelzen mehr als 200 Grad unter null.

Jeder Reinstoff schmilzt bei einer bestimmten Temperatur. Deshalb lässt sich am Schmelzpunkt schnell prüfen, um welchen Stoff es sich handelt. Beginnt eine Probe unterhalb des erwarteten Werts zu schmelzen, ist sie wahrscheinlich nicht rein: Gelöste Verunreinigungen senken den Gefrierpunkt. Streusalz auf einer vereisten Straße wirkt genauso. Eine Salzlösung gefriert unterhalb von 0 °C, dem Gefrierpunkt von reinem Wasser. Deshalb schmilzt das Eis auch dann, wenn die Lufttemperatur unter 0 °C liegt (OpenStax 11.4).