Der schmelzende Löffel
AFB I–IIIm Internet gibt es Löffel aus dem Metall Gallium zu kaufen. Rührt man damit heißen Tee um, schmilzt der Löffel weg. In der Tabelle stehen Kennwerte von vier Stoffen.
| Stoff | Schmelztemperatur | Siedetemperatur |
|---|---|---|
| Gallium | 30 °C | 2400 °C |
| Zinn | 232 °C | 2602 °C |
| Brom | −7 °C | 59 °C |
| Chlor | −102 °C | −35 °C |
- Gib den Aggregatzustand jedes Stoffes bei 20 °C an.
- Erstelle für Gallium einen Zahlenstrahl von −50 °C bis 100 °C. Markiere die Schmelztemperatur, 20 °C und 37 °C (Körpertemperatur) und beschrifte die Bereiche „fest“ und „flüssig“.
- Bestimme den Aggregatzustand von Gallium in heißem Tee (etwa 70 °C) und in der Hand (37 °C).
- Erkläre, warum der Galliumlöffel in der Schublade seine Form behält, im Tee aber nicht.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Gallium: fest (20 °C liegt unter 30 °C). Zinn: fest. Brom: flüssig (zwischen −7 °C und 59 °C). Chlor: gasförmig (20 °C liegt über −35 °C).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Zahlenstrahl mit gleichmäßiger Einteilung (z. B. 1 cm = 10 °C). Marke bei 30 °C = Schmelztemperatur. Links davon Bereich „fest“ (mit 20 °C), rechts davon Bereich „flüssig“ (mit 37 °C). Hinweis, dass der Bereich „flüssig“ bis 2400 °C reicht.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Im Tee (70 °C) und in der Hand (37 °C) liegt die Temperatur über 30 °C, aber weit unter 2400 °C: Gallium ist in beiden Fällen flüssig. In der Hand schmilzt es langsam, im Tee schnell.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
In der Schublade ist es etwa 20 °C warm. Das liegt unter der Schmelztemperatur von 30 °C, das Gallium ist fest und behält seine Form. Im Tee wird der Löffel über 30 °C erwärmt: Das Gallium schmilzt, wird flüssig und passt sich dem Gefäß an — der Löffel verliert seine Form.
Die Abkühlkurve
AFB II–IIIDie Gruppe von Maja und Can hat einen flüssigen Stoff abkühlen lassen und jede Minute die Temperatur abgelesen:
| Zeit in min | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Temperatur in °C | 104 | 96 | 89 | 83 | 80 | 80 | 80 | 80 | 80 | 75 | 70 |
Mögliche Stoffe: Stearinsäure (Schmelztemperatur 69 °C), Naphthalin (80 °C), Schwefel (115 °C).
- Zeichne das Zeit-Temperatur-Diagramm zu der Messreihe.
- Werte die Messreihe aus: Gib die Erstarrungstemperatur an und entscheide, um welchen Stoff es sich handelt.
- Nimm Stellung zu Majas Aussage: „Von Minute 4 bis 8 haben wir bestimmt falsch abgelesen. Der Stoff kühlt doch die ganze Zeit ab.“
- Stelle eine begründete Vermutung auf: Wie sieht die Kurve aus, wenn die Gruppe die doppelte Menge desselben Stoffes abkühlen lässt?
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Beschriftete Achsen mit Einheit, gleichmäßige Einteilung. Alle 11 Messpunkte richtig eingetragen und verbunden. Man sieht: Abfall bis 4 min, waagerechte Linie bei 80 °C von 4 bis 8 min, danach wieder Abfall.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Von 4 bis 8 min bleibt die Temperatur bei 80 °C: Das ist der Haltepunkt beim Erstarren. Die Erstarrungstemperatur ist 80 °C. Sie ist gleich der Schmelztemperatur. Also handelt es sich um Naphthalin.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Maja hat nicht recht. Die gleichbleibende Temperatur ist ein Haltepunkt, kein Ablesefehler. In dieser Zeit erstarrt der Stoff: Er gibt Wärme an die Umgebung ab, ohne kälter zu werden. Erst wenn alles fest ist, sinkt die Temperatur weiter. Der Haltepunkt ist sogar der wichtigste Teil der Messung, weil man daran den Stoff erkennt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Der Haltepunkt liegt wieder bei 80 °C, denn die Erstarrungstemperatur ist ein Kennwert und hängt nicht von der Menge ab. Er dauert aber länger (etwa doppelt so lang), weil mehr Stoff erstarren muss und dabei mehr Wärme abgegeben wird. Auch das Abkühlen davor und danach geht langsamer.