Thermische Ausdehnung von Wasser

Der Meeresspiegel steigt keineswegs nur, weil Schmelzwasser in die Ozeane fließt. Durch die zunehmende Erwärmung der Erdoberfläche dehnen sich auch die Ozeane aus. Wir können diese Ausdehnung des Wassers in einem Experiment verfolgen. Hierbei beobachten wir, wie die gleiche Masse an Wasser mit zunehmender Erwärmung an Volumen zunimmt. Die Dichte nimmt also ab.
 

Für den Versuch werden Hilfsmittel benötigt, die sich nicht in jedem Haushalt finden. Er sollte in der Schule durchgeführt und vor dem Unterricht vorbereitet werden.

Zu beachten ist, dass der Versuch in zwei Varianten durchgeführt werden kann:
1. Messung der Ausdehnung bei Erwärmen des Wassers (anschaulicher)
2. Messung der Reduktion der Ausdehnung bei Abkühlen des Wassers (bessere Ergebnisse)

Material

Benötigt werden:

1 x 500 ml Maßkolben
1 x 10 ml Glaspipette mit Teilstrichskalierung 0,1 ml
1 x 1 L Becherglas (der Maßkolben muss hineinpassen)
1 x  Magnetrührer mit Rührfisch
1 x Thermometer mit 1°C Teilstrichen im Bereich von 20 - 100°C
1 x Laborwaage
1 x Tropfpipette oder Eppendorf-Pipette
Gummiringe, Stopfen oder Schlauchstücke zum dichten Einpassen der Pipette in den Hals des Maßzylinders.
Stativmaterial zur Befestigung des Maßkolbens im Wasserbad.

Zeitrahmen:

1. Für Aufbau und Erwärmen ca. 40-45 min
2. Für vorherigen Aufbau und Verfolgen des Abkühlens ca. 40 min

In beiden Fällen kann die Beobachtung (Ablesen im Abstand von 3-5 Minuten) durch eine Schülerin / einen Schüler erfolgen, während der Unterricht parallel fortgesetzt wird.
 

Vorbereitung vor der Stunde 

Für den Versuch wird ein 500 ml Maßkolben benötigt, in dessen Hals umgekehrt die 10ml Pipette gesteckt wird, so dass die Volumenausdehnung des Wassers in 0,1 ml Schritten verfolgt werden kann. Hierzu ist es notwendig, dass der Übergang vom Kolben auf die Pipette dicht und frei von Luftblasen ist. Dies zu erreichen erfordert eventuell etwas Zeit, so dass diese Vorbereitung nicht ohne vorheriges Ausprobieren in den Unterrichtszeitraum gelegt werden sollte. Die nebenstehende Abbildung zeigt den gesamten Versuchsaufbau.

Bestimmung der Dichte des Wassers

Die aktuelle Dichte des Wassers kann bestimmt werden, indem der Maßkolben einmal leer gewogen wird und anschließend bis zur 500 ml Eichstrich-Markierung gefüllt gewogen wird.

Einpassen der Pipette

Im Anschluss wird die Pipette mit Hilfe eines Gummiringes oder abgeschnittener Schlauchstücke so kopfüber in den Schliff oder Hals des Maßkolbens eingepasst, dass sie wasserdicht abschließt. Die Pipettenspitze weist nach oben, die 0 ml Marke liegt unten.
Auch das Gewicht der Pipette mit Dichtungsmaterial muss bestimmt werden, damit das Gesamtgewicht der Apparatur bekannt ist.
 
 
 

Die Pipette wird endgültig umgekehrt in den Hals des Maßkolbens gesteckt. Sie wird bis zur 0 ml Marke mit Wasser gefüllt. Es ist dabei darauf zu achten, dass Luftblasen herausgeklopft werden, die sich leicht am Übergang zwischen Kolben und Pipette bilden.
Nachdem die Apparatur luftblasenfrei ist, wird die Gesamtmasse des Wassers zu Versuchsbeginn nochmals bestimmt. Hierzu wird der Kolben mit Pipette gewogen und die Leergewichte von Kolben und Pipette werden abgezogen. Über die Dichte läßt sich nun auch das Gesamtvolumen bestimmen.
 

Versuchsaufbau im Klassenraum

Der Maßkolben wird mit Hilfe von Stativmaterial in ein Wasserbad gehängt, dass mit Hilfe von Magnetrührer und Rührfisch permanent durchmischt wird.
 

Zum Erwärmen des Wasserbades wird die Heizplatte des Magnetrührers verwandt. Der Versuch sollte in einem Temperaturbereich von 20 - 70°C durchgeführt werden. Eine weitere Erwärmung würde das Wasser aus der 10 ml Pipette austreten lassen.

Ein Thermometer wird neben den Maßkolben in das Wasserbad gehängt.

Versuchsdurchführung: Erwärmung oder Abkühlung

Die allmähliche Veränderung des Volumens kann währen der Erwärmung oder der Abkühlung des Wasserbades gemessen werden.

Eine Messung während der Erwärmung kann unmittelbar an die Vorbereitungen angeschlossen werden und ist daher didaktisch günstiger. Es muss hierbei jedoch berücksichtigt werden, dass das Wasserbad sich schneller erwärmt als das Wasser im Maßkolben. Die im Wasserbad abgelesene Temperatur eilt der Temperatur im Kolben voraus. Bei der Auswertung ergibt sich daher eine Verschiebung zur theoretischen Dichtekurve.

Alternativ kann das Wasserbad vor dem Versuch schon auf 70°C erwärmt werden und auf dieser Temperatur belassen werden. Es stellt sich ein Temperaturgleichgewicht zwischen Wasserbad und Kolben ein. Reguliert man nun am Heizelement des Magnetrührers die Temperatur allmählich nach unten und stellt die Heizung schließlich ab, so sinkt der Wasserstand in der 10 ml Pipette. Die Abkühlung in Wasserbad und Kolben erfolgt wesentlich homogener als die Erwärmung. Die Auswertung liefert Ergebnisse, die nahezu identisch mit der theoretischen Dichtekurve übereinstimmen.
 

Auswertung

Während des Versuches ändert sich das Volumen des Wassers. Die Masse hingegen bleibt gleich. Es ergibt sich somit eine veränderte Dichte (Masse pro Volumen). Wir können nun die Dichte als Funktion der Temperatur ermitteln und ein einer Grafik auftragen.
 

Die nebenstehenden Werte stammen aus dem Experiment, in dem das Volumen für eine allmähliche Abkühlung bestimmt wurde. Die hieraus ermittelten Dichten stimmen deutlich besser mit den Literaturwerten überein.

Im Falle der Erwärmung ergibt sich ein systematischer Versetz, da sich das Wasserbad deutlich schneller erwärmt als der Maßkolben in ihm.
 

Wenngleich das Erwärmungsexperiment keine Literaturwerte liefert, eignet sich auch diese Variante zur Diskussion von in den Ozeanen auftretenden Phänomenen. Die großen Wassermassen haben eine erhebliche Trägheit hinsichtlich ihrer Erwärmung. Genau wie zwischen dem Wasser im Maßkolben innen und dem umgebenden Wasserbad, erfolgt in den Ozeanen kaum Austausch zwischen relativ gut durchmischtem und erwärmtem Oberflächenwasser und dem Tiefenwasser. Dieses erwärmt sich mit erheblicher Verzögerung, was die Auswirkungen der Erderwärmung über Jahrhunderte streckt.
 

Die Grafik zeigt die Dichteänderung als Funktion der Wasserbadtemperatur, in rot für eine Erwärmung, in blau für langsames Abkühlen. Die schwarze Kurve entspricht den theoretischen Werten.

 
 
Bilder und Grafiken auf dieser Seite wurden fotografiert und erstellt von Elmar Uherek, MPI für Chemie - Mainz