Wie funktioniert eine Kältemischung

Eis taut durch Gefrierpunkterniedrigung

Allgemein hat reines Wasser einen höheren Gefrierpunkt als Wasser mit darin gelösten Stoffen. Man nennt diesen Sachverhalt „Gefrierpunkterniedrigung“, und dieser ist bei Salzen besonders groß. Denn beim Gefrieren müssen nicht nur die Wassermoleküle zur Eisbildung gebracht werden, sondern auch ihre Anziehungskraft zu den Salzmolekülen überwunden, also zusätzlich eine chemische Bindung aufgebrochen werden. Das kostet Energie. Löst man nun Salz in Schnee und Eis, so wird dabei ebenfalls Energie verbraucht, die der Umgebung, in diesem Fall der dem Schnee und Eis anhaftenden Oberflächenfeuchtigkeit entzogen wird. Solche Mischungen holen sich die Energie, die sie zum Schmelzen und Auflösen brauchen, sozusagen aus sich selbst und senken dabei ihre Temperatur. Hält man in die Kältemischung ein Gläschen mit normalem Wasser, so erstarrt dieses sofort.

Kältemischungen und Frostschutzmittel

Die erste derartige Kältemischung stellte im Jahr 1714 der Physiker Fahrenheit her, indem er Wasser, granuliertes Eis und Ammoniumchlorid mischte und damit eine Temperatur von -17,7° C erreichte, die bis dahin niedrigste im Labor erzeugte Temperatur. Mit Mischungen aus Calciumchlorid und zerstoßenem Eis lassen sich immerhin schon Temperaturen von -55° C herstellen. Diese Mischung wird z.B. im Baugewerbe als Frostschutzmittel dem Beton zugesetzt. Mit einer solchen Kältemischung aus Eis und Salz lässt sich, wenn auch in aufwändiger Handarbeit, wunderbar zartes und weiches Speiseeis herstellen. Dazu füllt man die Creme in eine Rührschüssel und stellt diese in die Kältemischung. Unter ständigem Rühren, möglichst mit einem Schneebesen, bilden sich nach und nach nur winzige Eiskristalle, eine Grundbedingung für die cremige Struktur von Speiseeis.

Als Frostschutzmittel werden in den meisten Fällen Stoffe mit niedrigem Molekulargewicht einsetzt wie z.B. mehrwertige Alkohole (Glykol, Glycerin) oder Zucker (Trehalose, Glukose, Fruktose). Glycerin als Frostschutzmittel ist im Tierreich am verbreitetsten. Dieser Stoff ist im Stoffwechsel relativ einfach herzustellen und kann auch kurzfristig produziert werden. Zudem ist Glycerin nur wenig giftig und kann in der belebten Natur daher auch in höheren Konzentrationen eingesetzt werden.

Frostschutzmittel, die ein Gefrieren des Kühlwassers bei Automotoren verhindern, enthalten vorwiegend organische Alkohole wie z.B. Ethylenglykol, denen noch Stoffe zur Vermeidung der Korrosion beigemischt werden. Allerdings dürfen diese Frostschutzmittel dem Kühlwasser nur in bestimmten Anteilen beigemischt werden. Denn bei vollständigem Ersatz des Kühlwassers durch das Frostschutzmittel entfiele die Anziehungskraft zwischen den Alkohol- und den Wassermolekülen, die bei der Eisbildung zusätzlich überwunden werden muss. Die beiden reinen Stoffe, also Wasser und das Frostschutzmittel, haben immer einen höheren Gefrierpunkt als alle Mischungen.

Kam so das Leben auf die Erde?

Genau dieses Autofrostschutzmittel haben vor einigen Jahren Forscher in einer Staub- und Gaswolke in der Milchstraße entdeckt. Dies erstaunte, denn bisher war vermutet worden, dass solche komplexen Moleküle im Weltall nicht entstehen könnten. Da Ethylenglykol eng verwandt mit den einfachsten Vertretern der Zuckerfamilie, wichtigen Bausteinen für die Bildung des Lebens, ist, sehen die Forscher diese Entdeckung als weiteren Beleg für die Theorie, dass das Leben auf der Erde „Starthilfe“ aus dem All bekommen hat. Dabei sollen vorbei fliegende Kometen höher entwickelte Moleküle auf die Erde gebracht haben, aus denen sich später das Leben entwickelte.

Trick mit Eiswürfeln – ein Partyspaß

Lassen Sie ein paar Eisstückchen in einem Glas mit Flüssigkeit schwimmen und fordern Sie jemanden auf, ein Eisstückchen nur mit Hilfe eines Fadens, Streichholzes oder Spießchens, also ohne Angreifen, herauszuholen. Schafft es jemand? Wenn nicht, biegen Sie ein Streichholz so um, dass sich ein rechter Winkel ergibt. Die gebildete Spitze legen Sie aufs Eis und bedecken Sie sie mit etwas Salz, schon etwas Spucke reicht aus (Abb. 2). Nun heißt es einen Moment Geduld haben, bis das Streichholz am Eisstück fest gefroren ist. Am anderen Ende können Sie es aus dem Glas herausheben. Wie funktioniert’s? Sie haben eine Kältemischung aus Eis und Salz (auch in Spucke enthalten) hergestellt. Die Löslichkeit von Salz in Eis ist nur sehr gering, aber jedes Eisstückchen ist mit einer ganz dünnen Schicht von Wasser bedeckt. Wenn Salz mit Wasser in Berührung kommt, löst es sich auf und die Lösung kühlt sich ab. Das Salz verbleibt also vollständig in dieser minimalen Schicht und bildet dort eine sehr konzentrierte Lösung mit sehr niedrigem Gefrierpunkt. Allerdings wird auch etwas Eis um das Streichholz und Salz herum zum Schmelzen gebracht und entzieht dabei der Umgebung die notwendige Schmelzenergie. Die Lösung kühlt sich weiter ab. Wenn man das Streichholz glatt aufgelegt hat, verbleibt allerdings ein sehr dünner Wasserfilm (ohne Salzeinfluss) unter dem Streichholz. Durch den Schmelz- und Löseprozess wird auch diesem Energie entzogen, er gefriert und die dünne Eisschicht stellt die Verbindung zum Eiswürfel her.

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