Verfahrenstechnik für Dummies. Burkhard Lohrengel

benötigen Sie weniger Kraft, als wenn Sie Ihr Sofa verschieben wollen. Zur Siedepunktverschiebung müssen Sie bloß schwerer lösliche oder unlösliche Stoffe in die Flüssigkeit geben. Wird eine nichtflüchtige Substanz in einer Flüssigkeit gelöst, sinkt der Dampfdruck. Dieser Vorgang wird als Dampfdruckerniedrigung bezeichnet. Sinkender Dampfdruck bedeutet, dass weniger Dampf aus der Flüssigkeit entweicht, der Siedepunkt verschiebt sich dadurch zu höheren Temperaturen.

      

Sie wollen Spaghetti kochen. Um den Geschmack der Spaghetti zu erhöhen, geben Sie Salz als Feststoff, also als nichtflüchtige Substanz, in das Wasser. Sie wollen primär nicht den Siedepunkt verschieben, das Würzmittel Salz ist vielmehr für den Geschmack der Spaghetti erforderlich. Das gelöste Salz verteilt sich gleichmäßig im Wasser. Nun wirken nicht nur die Anziehungskräfte zwischen den Wassermolekülen: mit einem Mal ist auch noch ein fremder Stoff da! Jetzt entsteht eine zusätzliche Anziehungskraft zwischen den Wassermolekülen und den Salzatomen. Die Salzatome binden das Wasser zusätzlich. Dadurch wird es für die Wassermoleküle schwieriger, aus dem Wasser zu verdampfen, die Austrittsarbeit der Wassermoleküle wird durch das Salz erhöht. Die höhere Austrittsarbeit bewirkt, dass bei gleicher Temperatur weniger Moleküle des Wassers von der flüssigen in die gasförmige Phase übertreten können als bei der reinen Substanz. Das führt zu der Konsequenz, dass Sie die Temperatur erhöhen müssen, damit gleich viel Wasser verdampft, der Siedepunkt hat sich erhöht. Aber keine Sorge, Ihr Salzwasser siedet bei normaler Salzzugabe bei etwa 101 °C, den Unterschied bemerken Sie beim Kochen überhaupt nicht (und auch nicht in der Stromrechnung).

      Ist das Wasser salzgesättigt, liegt der Siedepunkt bei 108 °C. Das werden Sie Ihren Geschmacksnerven aber auch kaum zumuten wollen.

      Gefrierpunktserniedrigung

Die Zugabe von Salz zu Wasser hat noch weitere Auswirkungen: die Wassermoleküle werden auch daran gehindert, bei 0 °C Eiskristalle zu bilden. Die Salzlösung gefriert erst bei wesentlich niedrigeren Temperaturen. Daher wird im Winter Salz gestreut, um die Straßen und Gehwege von Eis und Schnee zu befreien. Das Streusalz spaltet sich in positiv geladene Natrium (Na⁺)- und negativ geladene Chloridionen (Cl^–) auf. Um die Chloridionen zu binden, docken die Wassermoleküle mit ihrer positiv geladenen Seite (H⁺) hieran an. Die Natriumionen (Na⁺) werden von den negativen Sauerstoffionen des Wassers (O^2–) gebunden. Dieser Vorgang bewirkt, dass die Natrium- und Chloridionen kontinuierlich Wassermoleküle aus dem Eiskristall herauslösen. So wird die Kristallbildung gestört, das Eis taut und es entsteht eine Salzlösung, der Gefrierpunkt des Wassers sinkt.

      

Eine gesättigte Kochsalzlösung hat einen Gefrierpunkt von –21,3 °C. Bei niedrigeren Temperaturen (die in Mitteleuropa allerdings sehr selten auftreten), wird kein Salz mehr gestreut, es wäre schlichtweg wirkungslos. Sollten im Winter wieder einmal Temperaturen unter –22 °C auftreten, können Sie guten Gewissens das Streusalz im Haus lassen und sich vor den warmen Ofen setzen.

      Dampfdruckkurve

      

Die Dampfdruckkurve zeigt in grafischer Darstellung die Abhängigkeit des Dampfdrucks eines reinen Stoffs von der Temperatur. Sie beginnt am Schmelzpunkt und endet am kritischen Punkt.

      Sie haben bemerkt, dass der Phasenübergang flüssig zu gasförmig in der Technik von besonderer Bedeutung ist. Daher ist es sinnvoll, diesen Phasenübergang möglichst einfach darzustellen. Hierzu dient die Dampfdruckkurve.

      Darstellung der Dampfdruckkurve

Die Dampfdruckkurve wird normalerweise in einem Druck-Temperatur-Diagramm aufgetragen, wie Sie dies in Abbildung 2.19 sehen. Werden beide Achsen logarithmisch unterteilt, wird die Dampfdruckkurve zu einer Geraden. Auf der Dampfdruckkurve liegen die Siedepunkte der betrachteten Flüssigkeit. Die Siedetemperatur ist vom verdampfenden Stoff abhängig. Sie erkennen, dass Alkohol (Ethanol, C₂H₅OH) bei einem festgelegten Druck früher siedet als Wasser, Tetrachlorethan (C₂H₂Cl₄) hat einen höheren Siedepunkt.

      Der Übergang von der flüssigen zur gasförmigen Phase erfolgt am Siedepunkt. Da eine Flüssigkeit siedet, wenn ihr Dampfdruck gleich dem vorherrschenden Umgebungsdruck ist, ist die Siedetemperatur vom Druck abhängig, wie Abbildung 2.19 verdeutlicht. Je höher der Druck ist, desto höher ist auch der Siedepunkt. Wenn Sie den Druck erniedrigen, beginnt eine Flüssigkeit früher zu sieden.

Abbildung 2.19 Dampfdruckkurven von Wasser, Ethylalkohol (C₂H₅OH) und Tetrachlorethan (C₂H₂Cl₄)

Wenn Sie von der Nordsee aus auf den höchsten Berg der Erde (Mt. Everest, 8848 m) steigen, beginnt Ihr Wasser bei immer geringeren Temperaturen zu sieden. Der Luftdruck in der Höhe des Mt. Everest beträgt 0,325 · 10⁵ Pa, also nur noch 32,1 % des Atmosphärendrucks an der Nordsee. Ihr Wasser siedet daher bereits bei 71 °C. Ob das allerdings die Mühe wert ist auf den Mt. Everest zu steigen (ganz zu schweigen von der fußläufigen Anreise), müssen Sie selbst entscheiden.

      

Da Ihr Wasser bereits bei 71 °C siedet, müssen Sie Ihre Eier auch bei dieser Temperatur hartkochen, was wesentlich länger dauert. Sie sehen, Ihr Frühstück wird nicht schneller fertig.

      Auf dem Mt. Everest haben Sie das Gegenteil eines Schnellkochtopfs, in dem ja bei hohem Druck gearbeitet wird, damit die Siedetemperatur steigt und Ihre Kartoffeln in wesentlich kürzerer Zeit gar sind als bei Umgebungsdruck!

      

Für Wasser gilt:

      Dampfdruck

      Beginnen wir mit einer Definition:

      

Der Druck, der durch Verdampfen beziehungsweise Verdunsten einer Flüssigkeit entsteht, wird als Dampfdruck bezeichnet.

Der Dampfdruck hängt vom verdampfenden Stoff sowie der Temperatur ab. Abbildung 2.20 zeigt die Zusammenhänge. Ein Behälter mit Flüssigkeit ist bei tiefer Temperatur (T ₁) von einem beweglichen Kolben verschlossen. Es existiert keine Dampfphase, der Dampfdruck (p ⁰) ist null. Wird die Flüssigkeit durch Energiezufuhr auf die höhere Temperatur T ₂ erwärmt, bildet sich über der flüssigen Phase auch eine Dampfphase aus, da einige Moleküle durch die Energiezufuhr eine ausreichend hohe kinetische Energie besitzen, um die intermolekularen Anziehungskräfte in der Flüssigkeit zu überwinden und in die Gasphase überzugehen. Die freigesetzten Moleküle üben einen Druck auf die Gefäßwände aus. Der entstandene Dampfdruck kann gemessen werden. Durch weitere Wärmezufuhr verdampft immer mehr Flüssigkeit, der Flüssigkeitsanteil wird dadurch immer geringer, der Dampfanteil und damit der Dampfdruck steigt an.