Serie zum Osnabrücker Wissensforum Warum haben Stoffe unterschiedliche Siedepunkte?

Von Martin Steinhart (Gastautor)

Martin Steinhart ist Professor für Physikalische Chemie. Foto: Gert WestdörpMartin Steinhart ist Professor für Physikalische Chemie. Foto: Gert Westdörp

Osnabrück. Beim 10. Osnabrücker Wissensforum im November 2017 haben 32 Professoren der Universität Osnabrück Fragen von Lesern der Neuen Osnabrücker Zeitung beantwortet. Heute als Beitrag: Schmelzen und Verdampfen. Warum haben Stoffe unterschiedliche Siedepunkte?

Teilchen, aus denen Materie besteht, ziehen sich aufgrund elektrostatischer Wechselwirkungen an. Deshalb bilden Teilchen Festkörper. Nun gibt es einen Gegenspieler der anziehenden elektrostatischen Wechselwirkungen: thermische Energie, die einem Stoff als Wärme zugeführt wird.

In einem Festkörper können die Teilchen gegeneinander schwingen. In diesen Schwingungen wird die thermische Energie gespeichert. Wenn man einem Festkörper immer mehr Wärme zuführt, überwiegt irgendwann der Einfluss der thermischen Energie den Einfluss der anziehenden elektrostatischen Wechselwirkungen. Die Teilchen schwingen dann so stark, dass der Festkörper aufbricht. Geschieht dies, können die Teilchen weitere Bewegungen ausführen, nämlich Verlagerungen ihres Massenschwerpunktes (durch die Gegend fliegen) und Rotationsbewegungen.

In Flüssigkeit oder Gas überführt

In diesen Bewegungsformen kann dann ebenfalls thermische Energie gespeichert werden, was der Kohäsion (Bindungskraft) zwischen den Teilchen entgegenwirkt. Sind die elektrostatischen Anziehungskräfte stark genug, um die Teilchen in einem losen Verbund zusammenzuhalten, wird der Festkörper in eine Flüssigkeit überführt (Schmelzen). Ist dies nicht der Fall, wird der Festkörper direkt in ein Gas überführt (Sublimation). (Weiterlesen: Roboter als Star des Abends beim 10. Osnabrücker Wissensforum)

Führt man einer zunächst gebildeten Flüssigkeit noch mehr Wärme zu, bewegen sich die Teilchen so stark, dass auch der lose Verbund der Teilchen in der Flüssigkeit aufbricht und die Teilchen in die Gasphase überführt werden (Sieden). Da sowohl das Ausmaß der elektrostatischen Anziehung zwischen den Teilchen als auch das Ausmaß ihrer Fähigkeit Wärme aufzunehmen stoffspezifisch sind, haben verschiedene Stoffe verschiedene Sublimations-, Schmelz- und Siedepunkte.

Wechsel in die umgebende Luft

Unterhalb seines Siedepunktes ist ein Stoff in seiner flüssigen Form stabil, oberhalb des Siedepunktes ist er es in seiner gasförmigen Form. Umgekehrt heißt dies, dass ein gasförmiger Stoff unterhalb seines Siedepunktes instabil ist und kondensiert. Eine Flüssigkeit oberhalb ihres Siedepunktes ist ebenso instabil und verdampft. Steht jedoch eine eigentlich stabile Flüssigkeit unterhalb ihres Siedepunktes in Kontakt mit einem praktisch unendlich großen, luftgefüllten Volumen, verdunstet die Flüssigkeit.

Immer wieder besitzen einzelne Teilchen in der Flüssigkeit genug thermische Energie, um in die umgebende Luft zu wechseln. Da in der Flüssigkeit die Dichte an Teilchen des flüssigen Stoffes naturgemäß hoch ist, ist dies sogar ein sehr wahrscheinlicher Vorgang. Allerdings fliegen die aus der Flüssigkeit in die umgebende Luft gewechselten Teilchen des Stoffes, aus dem die Flüssigkeit besteht, auf Nimmerwiedersehen weg. Daher verbleiben in der Luft nahe der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Luft kaum gasförmige Teilchen des Stoffes, aus dem die Flüssigkeit besteht. Somit ist es viel unwahrscheinlicher, dass ein Teilchen dieses Stoffes aus der Luft in die Flüssigkeit wechselt als umgekehrt. Folglich verdunstet die Flüssigkeit.


Über das Internetangebot der Universität Osnabrück sind die Beiträge des 10. Wissensforums auch als Video abrufbar unter www.uni-osnabrueck.de/wissensforum.

Das 11. Wissensforum findet am Freitag, 16. November 2018, statt.