Versuche mit Trockeneis
Trockeneisstücke Das ist gefrorenes Kohlendioxid oder Trockeneis. Es besitzt bei Normaldruck (1013hPa) eine Temperatur von -78,52°C und hat die seltsame Eigenschaft ohne Übergang in den flüssigen Zustand zu verdampfen. Der Fachausdruck für diesen Vorgang lautet sublimieren. Das so entstehende CO2 ist dann auch noch fast -79°C kalt. Bei diesen Temperaturen kondensiert der Wasserdampf in der Luft, so dass das Gas indirekt sichtbar wird. Im Bild ist es als dünne Nebelstreifen zu erkennen, die sich von den Eisstücken sternförmig ausbreiten.
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)
Die Kritische Temperatur ist jene Temperatur, über der sich das CO 2 unter keinem noch so hohen Druck verflüssigen lässt. Da diese über Raumtemperatur (bei 31°C) liegt, kann eine CO2 Flasche unter Druck auch flüssiges CO2 enthalten. Wird dieses mit einem Steigrohr aus der Flasche herausgeleitet, so kühlt es sich bei der Entspannung nach dem Joule-Thomson-Effekt ab, und bildet so genannten Kohlesäureschnee. Dieser wird dann zum Trockeneis gepresst.
In einer CO2 Flasche herrscht bei 20°C ein Druck von 56,56 bar. Dieser Druck wird Sättigungsdampfdruck genannt. Ist dieser Druck erreicht, bildet sich kein weiteres Gas mehr. Flüssigkeit und Gas sind dann im Gleichgewicht.
Der Trippelpunkt ist jener Punkt, bei dem ein Stoff in allen drei Aggregatzuständen auftritt. Bei kleineren Drücken bzw. niedrigeren Temperaturen geht ein Stoff direkt vom festen in den gasförmigen Zustand über. Da dieser für CO2 bei 5,1 bar liegt wird es bei Normaldruck niemals flüssig. Daher auch der Name Trockeneis. Dieser seltsame Effekt kann auch bei Wasser auftreten, wenn man es einem Vakuum aussetzt.

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 .

MPEG-Video 250kB 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.

MPEG-Video 315kB 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.

MPEG-Video 495kB 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.

MPEG-Video 338kB 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.
 

CO2-Nebel 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.
 

MPEG-Video 592kB 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 !

Kerze und CO2 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.

Schweres CO2 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.

CO2-See 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.

Gefrorenes Quecksilber 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.
 

Peltierelement 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.

Thermoeffekt 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. 

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