Siedeverzug

Erweiterte Suche

Glasstab mit einge­schmolzenem Hohlraum (unten)

Siedeverzug ist die Bezeichnung für das Phänomen, dass man Flüssigkeiten unter bestimmten Bedingungen über ihren Siedepunkt hinaus erhitzen kann, ohne dass diese sieden.

Beschreibung

Am häufigsten tritt der Effekt des Siedeverzugs bei Wasser auf. Dieses kann auf 110 °C erhitzt werden, ohne dass es zum Sieden und damit der Bildung von Wasserdampfblasen kommt.

Dieser Zustand ist metastabil und damit gefährlich, da sich schon bei einer geringen Erschütterung innerhalb kürzester Zeit eine große Gasblase ausbilden kann, die dann explosionsartig aus dem Gefäß entweicht (siehe Weblinks). Dies kann das Entweichen der Flüssigkeit zur Folge haben und tritt vor allem in engen, hohen Gefäßen auf. Ein Beispiel sind Reagenzgläser, da hier im unteren Teil die Flüssigkeit eine viel höhere Temperatur besitzt als im oberen Teil. Glatte, ebene Gefäßwände, eine geringe Durchmischung und ein hoher Reinheitsgrad der Flüssigkeit begünstigen den Siedeverzug.

Ursache

Das Fehlen eines Nukleationskeims, also bei einer glatten, homogenen Gefäßoberfläche und einer reinen, gas- und partikelfreien Flüssigkeit, wirkt als kinetisches Hemmnis. Die Bildung einer stabilen, gasförmigen Phase wird verhindert und es kann zu einer Überhitzung der Flüssigkeit über ihren Siedepunkt hinaus, eben dem Siedeverzug kommen.

Bei der Überhitzung von Flüssigkeiten ist der Dampfdruck im Inneren der ersten kleinen Hohlräume ungewöhnlich niedrig, so dass sie sofort wieder kollabieren.

Dieser Effekt tritt leicht ein, wenn man eine Flüssigkeit erhitzt, ohne sie zu rühren. Wenn dann durch spontane Keimbildung (siehe Unterkühlung) plötzlich der Verdampfungsprozess einsetzt, und sich eine größere Gasblase gebildet hat, kann die Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit weiter verdampfen. Die Gasblase dehnt sich dann explosionsartig aus und drückt dabei auch umgebende Flüssigkeit nach oben. Die Folge ist ein oft heftiges Spritzen. Dabei sinkt der Siedepunkt in dieser Region schlagartig auf den Normalwert ab.

Gegenmaßnahmen

Im Haushalt sind beim Kochen am Herd normalerweise keine Gegenmaßnahmen erforderlich, da die Oberflächen normalen Kochgeschirrs genügend rau sind. Allerdings kann es beim Erhitzen von Flüssigkeiten im Mikrowellenherd zum Siedeverzug kommen.

In der Laborpraxis verhindert man den Siedeverzug durch die Verwendung geeigneter Gefäße, also zum Beispiel von Abdampfschalen und größeren Kolben anstatt dünner Reagenzgläser. Diese sind in der Regel angeraut, wobei dieser Zweck jedoch auch beispielsweise durch einen Glasstab erfüllt werden kann. Hinzu kommt ein sehr vorsichtiges Erwärmen der Flüssigkeit und die Vermeidung von unbewegten Ruhelagen während des Erwärmungsprozesses. Beides bedingt, dass man Gefäße über der Flamme eines Bunsenbrenners schwenkt oder im Falle einer Heizplatte einen Magnetrührer verwendet. In beiden Fällen ist jedoch das langsame und gleichmäßige Erwärmen von größter Bedeutung, weshalb man insbesondere stark vorgewärmte Heizflächen vermeiden sollte.

Im Falle der erhöhten Gefahr eines Siedeverzugs kommen so genannte Siedeperlen oder Siedesteine (nicht zu verwechseln mit der mineralogischen Bezeichnung Siedestein) zum Einsatz. Sie bestehen aus porösem, weitgehend inertem Material, wie Glaspulver, Glasperlen mit rauher Oberfläche, Scherben von Tonen oder Silikatgesteinen.[1] Einerseits stört ihre raue Oberfläche die Bildung einer homogenen Molekülanordnung der Flüssigkeit, andererseits dehnt sich die in den Poren eingebundene Luft beim Erwärmen aus und wirkt beim Aufsteigen als Siedekeim. Aus letzterem Grund sollte man Siedesteinchen nach dem Ende des Siedens nicht noch einmal verwenden. Siedesteinchen sind jedoch für Vakuumdestillationen wenig nützlich, weil sie die enthaltene Luft bereits beim Evakuieren abgeben.

Man kann auch einen Siedestab in die zu erhitzende Lösung stellen. Darunter versteht man einen Glasstab, an dessen Unterseite sich ein offener Hohlraum befindet, siehe nebenstehende Abbildung.

Besonders für Destillationen im Vakuum verwendet man Siedekapillaren. Das sind am unteren Ende sehr dünn ausgezogene Glasrohre, die mit ihrem unteren Ende den Boden des Kolbens berühren sollten, und durch die man Luft oder ggf. ein zumeist inertes Gas (Edelgase) einsaugt.

Eine weitere Methode, den Siedeverzug bei Destillationen stark einzuschränken, ist die Verwendung eines Rotationsverdampfers. Bei kleinen Mengen hilft auch kräftiges Umrühren.

Sicherheitshinweise für das Arbeiten im Laboratorium

Eine Erwärmung mit der Gefahr eines Siedeverzuges sollte generell immer bei abgeschlossenem Abzug und auch nur bei der Verwendung mit Schutzkleidung (Schutzbrille, Gummihandschuhe, so wenig wie möglich freie Haut) erfolgen. Das Gefäß sollte so verwendet werden, dass auch trotz eines Siedeverzuges keinerlei weitere Schäden hervorgerufen werden (auch überhitztes Wasser ist gefährlich!). Gefäße sind mit ihrer Öffnung daher niemals auf das eigene Gesichtsfeld oder andere Personen zu richten. Wenn die Zugabe von Siedesteinchen vergessen wurde, darf man dies nur nachholen, wenn man absolut sicher ist, dass der Siedepunkt noch nicht erreicht wurde. Zugabe von Siedesteinen in eine bereits überhitzte Flüssigkeit führt zu explosionsartigem Sieden. Zudem nimmt die Wirkung der Siedesteinchen mit der Zeit ab, weshalb man sich nicht auf sie verlassen sollte und bei jedem Erwärmungsvorgang neue Siedesteinchen zugegeben werden müssen.

Abgrenzung

Das Überkochen von Milch oder Nudelwasser beruht nicht auf dem Siedeverzug, sondern auf der starken Schaumbildung. Die gebildeten Gasbläschen werden durch spezielle Inhaltsstoffe stabilisiert und platzen daher nicht. Durch Einsatz eines Milchwächters kann das verhindert werden.

Verwandte Themen

Flüssigkeiten können auch unter ihren Schmelzpunkt abgekühlt werden, ohne dass Erstarrung eintritt. Man spricht hier von unterkühlten Flüssigkeiten. Bekannt ist dieser Effekt unter anderem als Eisregen.

Durch Abkühlung oder Verdunstung lassen sich übersättigte Lösungen herstellen, die stärker konzentriert sind, als es der Löslichkeit des Stoffes entspricht. Bei Zugabe eines Kristallisationskeims kristallisiert die überschüssige Menge des gelösten Stoffs schlagartig. Diesen Effekt macht man sich bei einfachen Handwärmern zunutze, die eine übersättigte Natriumacetatlösung enthalten.

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. Walter Wittenberger: Chemische Laboratoriumstechnik, Springer-Verlag, Wien, New York, 7. Auflage, 1973, S. 172−173, ISBN 3-211-81116-8.

Die cosmos-indirekt.de:News der letzten Tage

29.05.2023
Elektrodynamik | Festkörperphysik | Quantenoptik
Informationen schneller fließen lassen – mit Licht statt Strom
Entweder 1 oder 0: Entweder es fließt Strom oder eben nicht, in der Elektronik wird bisher alles über das Binärsystem gesteuert.
25.05.2023
Kometen und Asteroiden | Biophysik
Meteoritisches Eisen: Starthilfe bei der Entstehung des Lebens auf der Erde?
Forscher haben ein neues Szenario für die Entstehung der ersten Bausteine des Lebens auf der Erde vor rund 4 Milliarden Jahren vorgeschlagen.
24.05.2023
Festkörperphysik | Astrophysik
Das Verhalten von Sternmaterie unter extremem Druck
Einem internationalen Team von Forscher*innen ist es in Laborexperimenten gelungen, Materie unter solch extremen Bedingungen zu untersuchen, wie sie sonst nur im Inneren von Sternen oder Riesenplaneten vorkommt.
23.05.2023
Quantenphysik | Quantencomputer
Turbo für das Quanteninternet
Vor einem Vierteljahrhundert machten Innsbrucker Physiker den ersten Vorschlag, wie Quanteninformation mit Hilfe von Quantenrepeatern über große Distanzen übertragen werden kann, und legten damit den Grundstein für den Aufbau eines weltweiten Quanteninformationsnetzes.
18.05.2023
Teilchenphysik | Quantencomputer
Quantenschaltkreise mit Licht verbinden
Die Anzahl von Qubits in supraleitenden Quantencomputern ist in den letzten Jahren rasch gestiegen, ein weiteres Wachstum ist aber durch die notwendige extrem kalte Betriebstemperatur begrenzt.
17.05.2023
Relativitätstheorie | Quantenphysik
Gekrümmte Raumzeit im Quanten-Simulator
Mit neuen Techniken kann man Fragen beantworten, die bisher experimentell nicht zugänglich waren – darunter auch Fragen nach dem Zusammenhang von Quanten und Relativitätstheorie.
16.05.2023
Sonnensysteme | Planeten | Geophysik
Die Kruste des Mars ist richtig dick
Dank eines starken Bebens auf dem Mars konnten Forschende der ETH Zürich die globale Dicke der Kruste des Planeten bestimmen.
11.05.2023
Sterne | Teleskope
Einblicke in riesige, verborgene Kinderstuben von Sternen
Mit dem Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy (VISTA) der ESO haben Astronomen einen riesigen Infrarot-Atlas von fünf nahe gelegenen Sternentstehungsgebieten geschaffen.
10.05.2023
Festkörperphysik | Quantenphysik | Quantencomputer
Verschränkte Quantenschaltkreise
ETH-Forschenden gelang der Nachweis, dass weit entfernte, quantenmechanische Objekte viel stärker miteinander korreliert sein können als dies bei klassischen Systemen möglich ist.
10.05.2023
Exoplaneten | Geophysik
Widerspenstiger Exoplanet lüftet seinen Schleier (ein bisschen)
Einem internationalen Forschungsteam, an dem das Max-Planck-Institut für Astronomie beteiligt ist, ist es nach fast 15 Jahren vergeblicher Anstrengungen gelungen, einige Eigenschaften der Atmosphäre des Exoplaneten GJ 1214 b zu ermitteln.
10.05.2023
Atomphysik
Forschende beschreiben flüssigen Quasikristall mit zwölf Ecken
Einen ungewöhnlichen Quasikristall hat ein Team der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU), der Universität Sheffield und der Jiaotong-Universität Xi'an gefunden.
08.05.2023
Quantenphysik
Künstliche Intelligenz lernt Quantenteilchen zu kontrollieren
In der Quantenforschung braucht man maßgeschneiderte elektromagnetische Felder, um Teilchen präzise zu kontrollieren - An der TU Wien zeigte man: maschinelles Lernen lässt sich dafür hervorragend nutzen.
06.05.2023
Teilchenphysik | Kernphysik
Elektronen-Rekollision in Echtzeit auf einen Schlag verfolgt
Eine neue Methode erlaubt, die Bewegung eines Elektrons in einem starken Infrarot-Laserfeld in Echtzeit zu verfolgen, und wurde am MPI-PKS in Kooperation zur Bestätigung theoretischer Quantendynamik angewandt.
05.05.2023
Satelliten und Sonden | Quantenoptik
GALACTIC: Alexandrit-Laserkristalle aus Europa für Anwendungen im Weltraum
Alexandrit-Laserkristalle eignen sich gut für den Einsatz in Satelliten zur Erdbeobachtung.
04.05.2023
Festkörperphysik | Quantenphysik
Nanophysik: Wo die Löcher im Flickenteppich herkommen
Patchwork mit Anwendungspotenzial: Setzt man extrem dünne Halbleiternanoschichten aus Flächen zusammen, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen, so finden sich darin Quasiteilchen mit vielversprechenden Eigenschaften für eine technische Nutzung.
03.05.2023
Sterne | Teleskope
Astronomen finden weit entfernte Gaswolken mit Resten der ersten Sterne
Durch den Einsatz des Very Large Telescope (VLT) der ESO haben Forscher zum ersten Mal die Fingerabdrücke gefunden, die die Explosion der ersten Sterne im Universum hinterlassen hat.