Einige Stoffdaten von CO2 | |||
Bezeichnung | Formelzeichen | Wert | Einheit |
Kritischer Druck | Pk | 72.9 | bar |
Sättigungsdampfdruck bei 20°C | PS | 56,56 | bar |
Kritische Temperatur | Tk | 304,2 | K |
Siedetemperatur bei 1,013bar | Ts | 194,7 | K |
Trippelpunkt | PT
TT |
5,1
217,15 |
bar
K (0K = -273.15°C) |
Aufbewahrung
Trockeneis kann man sehr lange in einem so genannten Dewar-Gefäß
aufbewahren. Ein solches Gefäß ist wie eine große Thermosflasche
aufgebaut. Die Wärmeisolation erfolgt durch ein evakuiertes, doppelwandiges
Glasgefäß. Die Wände sind zusätzlich reflektierend
beschichtet, um möglichst viel Wärmeeinstrahlung zu reflektieren.
Wichtig ist, dass man in den Deckel ein kleines Loch bohrt, aus dem
das entstehende Gas entweichen kann. Sonst baut sich ein sehr hoher Druck
auf, durch den das Gefäß explodieren kann. Wer nicht soviel
Geld für ein Dewar-Gefäß ausgeben will, kann Trockeneis
aber auch in einer Kühltasche lagern. Beim Kauf eines Dewar-Gefäßes
würde ich empfehlen, gleich eines zu wählen, indem auch flüssiger
Stickstoff aufbewahrt werden kann. Dazu muss es nur eine zweite
Hülle aus Metall und einen engeren Hals haben und ist deshalb nicht
wesentlich teurer. Für Trockeneis und Dewar-Gefäße
siehe Bezugsquellenliste .
Dieses Video zeigt, was passiert, wenn Trockeneis in einem Gefäß
fest verschlossen wird. Bereits nach kurzer Zeit, wird der Stoppel durch
den entstehenden Druck herauskatapultiert. Da kann sich jeder leicht vorstellen
was passiert, wenn ein verschraubtes Gefäß verwendet wird, bei
dem sich der Stoppel nicht so leicht lösen kann wie bei diesem Glas.
Durch das Gas, dass sich ständig auf der Oberfläche des
Trockeneises bildet, wird jeder Gegenstand der mit ihm in Berührung
kommt, leicht angehoben. In diesem Video wird, eine warme Münze in
einen Spalt in ein Trockeneisstück gestellt. Sie beginnt zu zittern
und zu klappern. Nicht aber durch die Kälte.
Beim Kontakt mit dem Trockeneis entsteht ein Gaspolster, der die Münze
anhebt. Dann entweicht das Gas und die Münze fällt wieder zurück.
Das funktioniert natürlich nur solange, als die Münze noch warm
ist. Wenn sie abkühlt, werden die Bewegungen kleiner.
Durch den entstehenden Gaspolster gleiten die Trockeneisstücke sehr
leicht über eine warme Aluminiumplatte, wie in diesem Video. Durch
eine leichte Schrägstellung der Platte beschleunigen die Stücke
sehr schnell, da durch den Gaspolster unter ihnen die Reibung sehr klein
wird.
Legt man ein Trockeneisstück auf einen geeigneten Resonanzkörper,
in diesem Video ein Becher vom Kelvin-Generator,
so entstehen sehr laute Schwingungen. Das Eis wird durch den warmen Becher
zur Gasproduktion angeregt. Es entsteht ein Gaspolster, der es vom Becher
abstößt und ihn dadurch in Schwingung versetzt. Dann fällt
es wider auf den Becher zurück und der Vorgang beginnt von neuen.
Wenn man das Trockeneis mit etwas mehr Kraft auf ein geeignetes Metallstück
(z.B. Aluleiter) drück und eine mechanische Resonanz erreicht, wird
der Ton mitunter sehr laut.
Wenn man ein Stück Trockeneis in ein Glas Wasser gibt, entstehen sofort
Nebelschwaden. Von dem Trockeneisstück löst sich durch den Kontakt
mit dem Wasser viel mehr Gas, als in der Luft. Dieses steigt dann in Form
von Gasblasen an die Wasseroberfläche.
Da das Gas noch sehr kalt ist, lässt es den Wasserdampf in der
Luft kondensieren, was dann als Nebel sichtbar wird.
Tipps und Tricks: Die Gasproduktion
lässt sich erhöhen, indem man warmes Wasser verwendet, oder
das Trockeneis in kleine Stücke zerbricht. Um eine Nebelbildung nicht
zu beeinträchtigen, sollte das Wasser nicht zu heiß sein, da
sich das CO2 sonst zu stark erwärmt. Auch sollte
eine möglichst flache Schale verwendet werden, damit das kalte CO2
nicht zu lange im Wasser aufsteigen muss, und sich dabei erwärmen
kann. Die Nebelproduktion funktioniert umso besser, je feuchter und wärmer
die Umgebungsluft ist.
Dieses Video zeigt, wie ein Stück Trockeneis in ein Glas mit heißem
Wasser geworfen wird. Durch den aufsteigenden Dampf wird der Nebel sehr
stark nach oben gezogen. Erst wenn er etwas abgekühlt ist, sinkt er
wieder zu Boden.
Selbstgemachtes Mineralwasser:
Die Kohlensäure im Mineralwasser ist nichts anderes, als im Wassergelöstes
CO2. Wenn man von dem Wasser kostet, das vorher mit
Trockeneis in Kontakt war, wird man einen leicht säuerlichen Geschmack
feststellen. Es ist aber nicht so viel Kohlensäure enthalten wie im
richtigen Mineralwasser. Das liegt daran, dass bei Mineralwasser das
CO 2 unter Druck eingebracht wird. Bei etwa 5 bar
geht das viel besser als bei Normaldruck. Das ist auch der Grund dafür,
warum es bei Öffnen der Flasche immer zischt. Denn das entstehende
CO2 löst sich so lange aus dem Wasser, bis sich
durch den Gegendruck ein Gleichgewicht einstellt. Unter verringerten Druck
ist es dann fast überhaupt nicht möglich, das Gas im Wasser zu
halten. Ein Glas Mineralwasser in einer Vakuumglocke
verraucht deshalb nach kurzer Zeit. Auch durch Ultraschall
ist es möglich, das Gas schneller aus dem Wasser herauszutreiben.
Und hier noch ein, nicht zur Nachahmung empfohlener, Versuch mit dem
so schmackhaften Trockeneis ohne Worte.
Achtung: Wenn man größere
Mengen von Trockeneis verdampfen lässt, muss auf eine ausreichende
Belüftung des Raumes geachtet werden. Da CO2
schwerer als Luft ist, füllt es den Raum von unter beginnend auf,
und verdrängt dadurch den Sauerstoff. CO2 entsteht
auch bei der Gärung von Wein. Viele Unfälle in Kellern durch
Gärgase sind schon tödlich ausgegangen.
Wird Trockeneis in Azeton gelegt, so löst es sich darin viel schneller
auf als in Wasser. Es entsteht aber trotzdem nicht soviel Nebel bzw. Gas.
Das liegt einerseits daran, dass Azeton nicht so leicht kondensiert
wie Wasser und deshalb ein Großteil des CO2
s gar nicht sichtbar wird und andererseits bleibt das CO2
im Azeton in sehr großen Mengen gelöst, solange es kalt ist.
Wird viel Trockeneis im Azeton gelöst, so sinkt dessen Temperatur
bis unter -60°C ab. Wird es dann wieder erwärmt, so tritt das
CO 2 wieder aus. Wird ein warmer Gegenstand mit dem
Azeton in Berührung gebracht, sieht das dann so aus, als würde
es sieden. In Wirklichkeit ist es aber nur das CO2,
dass dabei frei wird.
Achtung: Bei Experimenten mit Azeton. Feuergefahr !
Wenn man in einem Glas eine Kerze anzündet und dann ein Stück Trockeneis
in das Glas legt, so erlischt die Kerze
auch kurzer Zeit.
Durch den Kontakt mit dem warmen Glas verdampft viel Trockeneis und
füllt das Glas von unten mit CO2. Dadurch bleibt
der Kerze kein Sauerstoff mehr übrig. Das ist auch der Grund, warum
Winzer oft eine Kerze mit in den Weinkeller nehmen. Wenn sie erlischt,
ist das ein Zeichen dafür, dass der CO2-See
schon bis zur Kerze reicht. Wenn man sie in der Hand trägt, bleibt
einem noch genügen Luft zum Atmen oberhalb der Kerze übrig.
Noch eindrucksvoller ist es, wenn man das schwere CO2
in das Glas hinein gießt. Dazu kann man Trockeneis wie im 1. Versuch
in ein Glas Wasser geben, um mehr Gas zu erhalten. Das CO2
ist sogar so schwer, dass es gegen die Wärmeströmung der
Kerze nach unten fällt.
Tipps: Noch besser wirkt dieser
Versuch, wenn man das Trockeneis in ein gleich großes Glas legt und
vollständig verdampfen lässt. Dann ist überhaupt nichts
mehr zu sehen was in das Glas gegossen werden könnte und die Kerze
erlischt trotzdem. Beim Ausgießen kann man sogar spüren, wie
das CO2 nach unten strömt, wenn man die Hand
vor das Glas hält.
Den CO2-See kann man indirekt sichtbar machen, indem
man in ein Glas mit Trockeneis eine Seifenblase fallen lässt.
Da diese größtenteils mit Luft gefüllt ist, schwimmt
sie auf den viel schwereren CO2. Das sieht dann so
aus, als würde die Seifenblase frei im Raum schweben. Mit der Zeit
sinkt sie jedoch langsam ab. Das hat zwei Gründe. Erstens kühlt
die Luft im Inneren der Seifenblase beim Kontakt mit dem kalten CO2
ab und zweitens diffundiert das CO2 durch die Seifenhaut
in das Innere.
Für Geduldige: Wenn man genug
Zeit investiert, ist es auf diese Art möglich eine gefrorene Seifenblase
herzustellen. Dazu muss die Blase möglichst nahe an das kalte
Trockeneis herangebracht werden, bis sie schließlich gefriert. Dann
sollte man allerdings nicht den Fehler machen die Blase mit der Hand heraus
nehmen zu wollen. Die Eissicht ist nämlich so dünn, dass
sie bei der leichtesten Berührung sofort zerbricht. Außerdem
werden die Eisbälle etwas runzelig, da sich natürlich auch die
Luft im Inneren abkühlt und sich dabei zusammen zieht.
Mit diesen tiefen Temperaturen ist es leicht möglich Quecksilber gefrieren
zu lassen. Denn der Grund, warum kein Quecksilberthermometer unter -40°C
anzeigen kann, ist einfach der, dass es bereits bei -38,8°C fest
wird. Wer einen Neigungsschalter besitzt, kann die sonst unübliche,
feste Form des Metalls einmal selbst sehen.
Mit dem Trockeneis wurde auch ein Versuch zum Peltierelement
gemacht. Um zu testen, ob der Peltiereffekt auch noch bei -79°C funktioniert,
wurde ein Peltierelement zwischen zwei Stücke Trockeneis gelegt. Wenn
es nach einiger Zeit dann abgekühlt ist, wird der Strom eingeschaltet.
Ist dieser auch noch richtig gepolt, dann friert das obere Eisstück
am Peltierelement fest und man kann es mit dem Eisstück hochheben.
Polt man den Strom dann um, friert das untere Eisstück fest, und das
obere löst sich.
Achtung: Es ist zu empfehlen, das
Trockeneis nur mit Handschuhen anzufassen. Denn bei -79°C können
die Fingerkuppen sehr schnell gefrieren. Es reichen aber normale Wollhandschuhe
völlig aus.
Tipps: Durch den Strom wird die
andere Seite des Peltierelementes natürlich warm. Da sich diese aber
nach dem hochheben nicht mehr auf dem Trockeneis befindet, erwärmt
sie sich sehr schnell und das Peltierelement löst sich wieder vom
oberen Eisstück. Um das hinauszuzögern, sollte das Peltierelement
nicht mit der vollen Spannung betrieben werden. Ich habe ein 12V Element
mit nur 5V betrieben. Das reicht aus, da nur eine sehr kleine Temperaturdifferenz
erzeugt werden muss. Weiter sollte man darauf achten, dass die
Eisfläche, die fest frieren soll, möglichst flach ist. Das ist
aber meistens der Fall, wenn man das Peltierelement mit demselben Eisstück
herunter gekühlt hat.
Es ist dann natürlich auch der umgekehrte Betriebsfall möglich.
Die Temperaturdifferenz von Trockeneis zur Umgebungsluft kann durch den
Thermoeffekt ausgenutzt werden.
Dazu wird ein Stück Trockeneis auf das Peltierelement gelegt,
welches sich auf einem Kühlkörper befindet. Das angeschlossene
Lämpchen leuchtet ohne weiterer Wärmezufuhr auf. Der Kühlkörper
wird abgekühlt, und kann so Wärme aus der Umgebungsluft
aufnehmen.
Trotzdem ist nicht ganz klar, woher die Energie letztendlich gewonnen
wird. Sie könnte einerseits der Umgebungswärme entzogen werden,
aber andererseits könnte sie auch aus dem Trockeneis stammen, zu dessen
Herstellung ja ebenfalls Energie benötigt wird. Das sieht so aus,
als ob die doppelte Energiemenge zur Verfügung stehen würde.
In gewisser Weise stimmt das auch wenn man bedenkt, dass die Umgebungswärme
allgemein nicht als Energiequelle betrachtet wird. Lesen Sie dazu auch
das Gedankenexperiment beim Peltierelement.
Im Trockeneis ist das CO2 in einem Zustand gefangen,
aus dem es nur sehr schwer herauskommt. Wenn man bedenkt, mit welcher Wucht
eine Gasflasche explodieren kann, dann erscheint einem der ruhige Zustand
des Trockeneises, der ja ebenfalls große Mengen CO2
auf kleinem Raum vereint, schon etwas seltsam.