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Aktuelle Version vom 18. April 2025, 13:23 Uhr

Übersättigung ist die Bezeichnung für einen metastabilen Zustand einer Lösung, einer Flüssigkeit oder von Gasförmigen Stoffen. Bei übersättigten Systemen tritt ein Phasenübergang nicht am erwarteten Gleichgewichtspunkt des Phasendiagramms auf, da der Phasenübergang kinetisch gehemmt ist.

Der Temperaturbereich, in dem eine Übersättigung auftreten kann, wird auch Ostwald-Miers-Bereich (nach Wilhelm Ostwald und Henry Alexander Miers^[1]) genannt.

Übersättigter Reinstoff

Beispielsweise hat übersättigter Dampf eine höhere Dichte als Dampf im thermodynamischen Gleichgewicht zwischen Dampf und Kondensat. Vor allem in Bezug auf Wasserdampf in der Luft zeigt sich beim Fehlen von Kondensationskernen (Aerosolen) im Laborversuch (Nebelkammer) zeitweise eine Übersättigung von maximal ca. 800 %. Auch unter atmosphärischen Bedingungen lassen sich Übersättigungen von über 100 % beobachten, wobei in der Regel nur Übersättigungen von wenigen Prozentpunkten auftreten.

Unterkühlung von Reinstoffschmelzen

Eine weit verbreitete Anwendung, bei der ein breiter Ostwald-Miers-Bereich ausgenutzt wird, sind Handwärmer bzw. Wärmekissen mit Natriumacetat-Trihydrat Füllung.^[2] Liegt das Wärmekissen als feste Phase vor, kann es bei einer Temperatur oberhalb von 58 °C verflüssigt werden. Nach dem vollständigen Verflüssigen wird die Flüssigkeit beim erneuten Abkühlen ohne einen erneuten Phasenübergang die Schmelztemperatur unterschreiten und flüssig bleiben. Das Material kann auch noch bei Temperaturen weit unterhalb – unter Umständen bis −20 °C – als unterkühlte Schmelze in einem metastabilen Zustand flüssig bleiben. Erst wenn sich geeignete Keime gebildet haben, kann der makroskopische Phasenübergang erster Ordnung stattfinden, und erst dann wird aufgrund der nun frei werdenden Kristallisationsenthalpie die Temperatur des Kissens wieder steigen.

Fehlende Kristallisationskeime sind nicht die einzige Ursache bei der Entstehung von unterkühlten Systemen. Siehe auch: Amorphes Material.

Übersättigte Lösung

Eine übersättigte Lösung enthält mehr von dem gelösten Stoff, als seiner maximalen Löslichkeit bei den gegebenen Bedingungen (Temperatur, Druck usw.) entspricht. Hierbei kann der gelöste Stoff bei Bedarf im kristallinen Zustand ausgeschieden werden. Siehe auch:Kristallzüchtung

Herstellung

Beim langsamen Abkühlen einer gesättigten Lösung bei ruhigem Stehen bildet sich oft eine übersättigte Lösung, bevor der Überschuss des gelösten Stoffes ausfällt.^[3] Die Fällung kann auch chemisch eingeleitet werden. Siehe auch Fällungsreaktion.

Ausscheidung der „zu viel“ gelösten Substanz

Die Ausscheidung des „zu viel“ in Lösung gebliebenen Stoffes kann herbeigeführt werden durch:

Schütteln,
Rühren,
Verdunsten des Lösungsmittels,
Reiben mit einem Glasstab an der Innenwand des Glasgefäßes, in dem die Lösung aufbewahrt wird, oder durch
Zugabe eines Kristalls des Stoffes, der in der Flüssigkeit gelöst ist – „Impfen“. An den scharfen Kanten der Impfkristalle beginnt dann die Auskristallisation.^[3]
Einbringen von Energie (beispielsweise durch Erschütterungen oder bei Wärmekissen durch Verformungsenergie)

Anwendungsbeispiele

Übersättigte Lösungen werden zum Beispiel zur Reinigung von Stoffen durch Umkristallisation oder überhaupt erst zur Gewinnung von Kristallen (auch Einkristallen:^[4]) mittels Kristallisation verwendet.

Herstellung

Beim langsamen Abkühlen von Dampf im thermodynamischen Gleichgewicht zwischen Dampf und Kondensat entsteht übersättigter Dampf.^[5]

Zerlegung am Beispiel von Wolken

Aus unterkühlten Wolkenfeldern lässt sich Regen durch „Impfen“ mit Keimen von z. B.

zur Ausscheidung bringen. Dies kann ggf. erwünscht sein, um Hagelschlag vorzubeugen.^[5]

Zerlegung und Wärmegewinnung

Wird ein Metallplättchen (ähnlich dem in einem Knackfrosch) im Wärmekissen gedrückt, löst das die Kristallisation aus. Das Kissen erwärmt sich dabei wieder auf die Schmelztemperatur, wobei die vollständige Kristallisation und damit die Freigabe der Kristallisationsenthalpie sich über eine längere Zeit erstrecken kann. Als Auslöser für die Kristallisation kommen in Frage:

die Druckwelle, die durch das Drücken des Metallplättchens ausgelöst wird,
die dabei verursachte Freisetzung mikroskopisch kleiner Kristallisationskeime, die sich bei jeder Kristallisation in kleinen Ritzen des Metalls festsetzen.^[6]

Einzelnachweise

↑ L. J. Spencer: Biographical notice of Sir Henry A. Miers (1858–1942). In: Journal of the Mineralogical Society. Nr. 185, 1944, S. 17–28 (minersoc.org [PDF]).
↑ Seminarvortrag Daniel Oriwol „Natriumacetat als Latentwärmespeicher“, 2008; PDF-Dokument (Memento vom 1. Oktober 2011 im Internet Archive).
↑ ^a ^b Walter Wittenberger: Chemische Laboratoriumstechnik. 7. Auflage. Springer-Verlag, Wien/ New York 1973, ISBN 3-211-81116-8, S. 100.
↑ Arthur Lüttringhaus: Krystallisieren, in Houben-Weyl (Herausgeber: Eugen Müller): Methoden der Organischen Chemie. Band I/1: Allgemeine Laboratoriumspraxis., 4. Auflage. Georg Thieme Verlag, Stuttgart 1958, S. 354–355.
↑ ^a ^b Otto-Albrecht Neumüller (Hrsg.): Römpps Chemie-Lexikon. Band 6: T–Z. 8. neubearbeitete und erweiterte Auflage. Franckh’sche Verlagshandlung, Stuttgart 1988, ISBN 3-440-04516-1, S. 4404.
↑ Mansel A. Rogerson, Silvana S. S. Cardoso: Solidification in heat packs: I. Nucleation rate. In: AIChE Journal. 49, 2003, S. 505–515. doi:10.1002/aic.690490220.

[1] L. J. Spencer: Biographical notice of Sir Henry A. Miers (1858–1942). In: Journal of the Mineralogical Society. Nr. 185, 1944, S. 17–28 (minersoc.org [PDF]).

[2] Seminarvortrag Daniel Oriwol „Natriumacetat als Latentwärmespeicher“, 2008; PDF-Dokument (Memento vom 1. Oktober 2011 im Internet Archive).

[Wittenberger-3] Walter Wittenberger: Chemische Laboratoriumstechnik. 7. Auflage. Springer-Verlag, Wien/ New York 1973, ISBN 3-211-81116-8, S. 100.

[Houben-Weyl-4] Arthur Lüttringhaus: Krystallisieren, in Houben-Weyl (Herausgeber: Eugen Müller): Methoden der Organischen Chemie. Band I/1: Allgemeine Laboratoriumspraxis., 4. Auflage. Georg Thieme Verlag, Stuttgart 1958, S. 354–355.

[Römpp-5] Otto-Albrecht Neumüller (Hrsg.): Römpps Chemie-Lexikon. Band 6: T–Z. 8. neubearbeitete und erweiterte Auflage. Franckh’sche Verlagshandlung, Stuttgart 1988, ISBN 3-440-04516-1, S. 4404.

[6] Mansel A. Rogerson, Silvana S. S. Cardoso: Solidification in heat packs: I. Nucleation rate. In: AIChE Journal. 49, 2003, S. 505–515. doi:10.1002/aic.690490220.

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+[[Datei:Verzadigingsgraad oplossingen.png|mini|300px|Sättigung und Phasenübergang:<br />A. Ungesättigte Lösung<br />B. Gesättigte Lösung<br />C. Gesättigte Lösung mit [[Fällung]] ]]
-Die '''Übersättigung''' eines thermodynamischen Systems bzw. einer [[Phase (Thermodynamik)|Phase]], also beispielsweise einer [[Lösung (Chemie)|Lösung]], bezeichnet einen [[Zustand (Thermodynamik)|Zustand]] desselben, der sich oberhalb des [[Sättigung (Physik)|Sättigungspunktes]] befindet. Das bedeutet beispielsweise, dass eine solche Lösung weiter Stoffe in sich löst, obwohl der eigentliche Gleichgewichtszustand schon erreicht ist. Unter gewöhnlichen Bedingungen würde eine solche Überschreitung des Gleichgewichtszustands durch eine [[Phasenumwandlung]] verhindert. Bei übersättigten Systemen tritt diese jedoch nicht am erwarteten Gleichgewichtspunkt des [[Phasendiagramm]]s auf.
+'''Übersättigung''' ist die Bezeichnung für einen [[metastabil]]en Zustand einer [[Lösung (Chemie)|Lösung]], einer Flüssigkeit oder von [[Gas]]förmigen Stoffen. Bei übersättigten Systemen tritt ein [[Phasenübergang]] nicht am erwarteten Gleichgewichtspunkt des [[Phasendiagramm]]s auf, da der Phasenübergang [[Kinetik (Chemie)|kinetisch]] gehemmt ist.
+Der Temperaturbereich, in dem eine Übersättigung auftreten kann, wird auch [[Ostwald-Miers-Bereich]] (nach [[Wilhelm Ostwald]] und [[Henry Alexander Miers]]<ref>{{Literatur |Autor=[[Leonard James Spencer|L. J. Spencer]] |Titel=Biographical notice of Sir Henry A. Miers (1858–1942) |Sammelwerk=Journal of the [[Mineralogical Society of Great Britain and Ireland|Mineralogical Society]] |Nummer=185 |Datum=1944 |Seiten=17–28 |Online=http://www.minersoc.org/pages/Archive-MM/Volume_27/27-185-17.pdf |Format=PDF |KBytes=}}</ref>) genannt.
-Eine Übersättigung kann durch die meist langsame Abkühlung einer gesättigten Lösung bzw. eines gesättigten Mediums erreicht werden. Vor allem in Bezug auf [[Wasserdampf]] in der [[Luft]] zeigt sich beim Fehlen von [[Kondensationskern]]en ([[Aerosol]]en) im Laborversuch ([[Nebelkammer]]) eine Übersättigung von maximal ca. 800&nbsp;%. Unter atmosphärischen Bedingungen ist dies jedoch nicht der Fall, hier lassen sich maximale Übersättigungen von 100&nbsp;% beobachten, wobei diese jedoch sehr selten sind und in der Regel nur Übersättigungen von wenigen Prozentpunkten auftreten.
+== Übersättigter Reinstoff ==
-Übersättigte Lösungen werden zum Beispiel zur Reinigung von Stoffen oder zur Gewinnung von [[Kristall]]en mittels [[Kristallisation]] verwendet. Von Gefahr ist bei diesen der [[Siedeverzug]].
+Beispielsweise hat übersättigter Dampf eine höhere Dichte als Dampf im thermodynamischen Gleichgewicht zwischen Dampf und Kondensat. Vor allem in Bezug auf [[Wasserdampf]] in der [[Luft]] zeigt sich beim Fehlen von [[Kondensationskern]]en ([[Aerosol]]en) im Laborversuch ([[Nebelkammer]]) zeitweise eine Übersättigung von maximal ca.&nbsp;800 %. Auch unter [[Erdatmosphäre|atmosphärischen]] Bedingungen lassen sich Übersättigungen von über 100 % beobachten, wobei in der Regel nur Übersättigungen von wenigen Prozentpunkten auftreten.
+== Unterkühlung von Reinstoffschmelzen ==
-[[Kategorie:Thermodynamik|Ubersattigung]]
+{{Hauptartikel|Unterkühlung (Thermodynamik)}}
-[[Kategorie:Kristallographie|Ubersattigung]]
+Eine weit verbreitete Anwendung, bei der ein breiter Ostwald-Miers-Bereich ausgenutzt wird, sind [[Latentwärmespeicher|Handwärmer]] bzw. [[Latentwärmespeicher#Wärmekissen|Wärmekissen]] mit [[Natriumacetat]]-[[Trihydrat]] Füllung.<ref>{{Webarchiv |url=http://www.geo.tu-freiberg.de/Hauptseminar/2008/Daniel_Oriwol.pdf |text=Seminarvortrag Daniel Oriwol „Natriumacetat als Latentwärmespeicher“, 2008; PDF-Dokument |wayback=20111001192318}}.</ref> Liegt das [[Latentwärmespeicher#Wärmekissen|Wärmekissen]] als feste Phase vor, kann es bei einer Temperatur oberhalb von 58&nbsp;°C verflüssigt werden. Nach dem ''vollständigen Verflüssigen'' wird die Flüssigkeit beim erneuten Abkühlen ohne einen erneuten Phasenübergang die Schmelztemperatur unterschreiten und flüssig bleiben. Das Material kann auch noch bei Temperaturen weit unterhalb –&nbsp;unter Umständen bis −20&nbsp;°C&nbsp;– als [[Unterkühlung (Thermodynamik)|unterkühlte Schmelze]] in einem [[Metastabil|metastabilen Zustand]] flüssig bleiben. Erst wenn sich geeignete Keime gebildet haben, kann der [[Mikroskopisch und makroskopisch|makroskopische]] Phasenübergang erster Ordnung stattfinden, und erst dann wird aufgrund der nun frei werdenden Kristallisations[[enthalpie]] die Temperatur des Kissens wieder steigen.
+Fehlende [[Keimbildung|Kristallisationskeime]] sind nicht die einzige Ursache bei der Entstehung von unterkühlten Systemen. Siehe auch: [[Amorphes Material]].
-[[en:Supersaturation]]
-[[pl:Roztwór przesycony]]
+== Übersättigte Lösung ==
+Eine übersättigte Lösung enthält mehr von dem gelösten Stoff, als seiner maximalen [[Löslichkeit]] bei den gegebenen Bedingungen (Temperatur, Druck usw.) entspricht. Hierbei kann der gelöste Stoff bei Bedarf im kristallinen Zustand ausgeschieden werden. ''Siehe auch:[[Kristallzüchtung]]''
+=== Herstellung ===
+Beim langsamen Abkühlen einer gesättigten Lösung bei ruhigem Stehen bildet sich oft eine übersättigte Lösung, ''bevor'' der Überschuss des gelösten Stoffes ausfällt.<ref name="Wittenberger">Walter Wittenberger: ''Chemische Laboratoriumstechnik.'' 7. Auflage. Springer-Verlag, Wien/ New York 1973, ISBN 3-211-81116-8, S.&nbsp;100.</ref> Die Fällung kann auch chemisch eingeleitet werden''. Siehe auch [[Fällungsreaktion]]''.
+=== Ausscheidung der „zu viel“ gelösten Substanz ===
+Die Ausscheidung des „zu viel“ in Lösung gebliebenen Stoffes kann herbeigeführt werden durch:
+* Schütteln,
+* Rühren,
+* Verdunsten des Lösungsmittels,
+* Reiben mit einem Glasstab an der Innenwand des Glasgefäßes, in dem die Lösung aufbewahrt wird, oder durch
+* Zugabe eines Kristalls des Stoffes, der in der Flüssigkeit gelöst ist – „Impfen“. An den scharfen Kanten der Impfkristalle beginnt dann die Auskristallisation.<ref name="Wittenberger" />
+* Einbringen von Energie (beispielsweise durch Erschütterungen oder bei [[Wärmekissen]] durch Verformungsenergie)
+=== Anwendungsbeispiele ===
+Übersättigte Lösungen werden zum Beispiel zur Reinigung von Stoffen durch [[Umkristallisation]] oder überhaupt erst zur Gewinnung von [[Kristall]]en (auch [[Einkristall]]en:<ref name="Houben-Weyl">[[Arthur Lüttringhaus]]: ''Krystallisieren'', in Houben-Weyl (Herausgeber: Eugen Müller): ''Methoden der Organischen Chemie.'' Band I/1: ''Allgemeine Laboratoriumspraxis.'', 4. Auflage. Georg Thieme Verlag, Stuttgart 1958, S.&nbsp;354–355.</ref>) mittels [[Kristallisation]] verwendet.
+=== Herstellung ===
+Beim langsamen Abkühlen von Dampf im thermodynamischen Gleichgewicht zwischen Dampf und Kondensat entsteht übersättigter Dampf.<ref name="Römpp">[[Otto-Albrecht Neumüller]] (Hrsg.): [[Römpp Lexikon Chemie|''Römpps Chemie-Lexikon.'']] Band 6: ''T–Z.'' 8. neubearbeitete und erweiterte Auflage. Franckh’sche Verlagshandlung, Stuttgart 1988, ISBN 3-440-04516-1, S.&nbsp;4404.</ref>
+=== Zerlegung am Beispiel von Wolken ===
+Aus unterkühlten Wolkenfeldern lässt sich Regen durch „Impfen“ mit Keimen von z. B.
+* [[Harnstoff]],
+* [[Natriumalginat]],
+* [[Silberiodid]] oder
+* [[Trockeneis]]
+zur Ausscheidung bringen. Dies kann ggf. erwünscht sein, um [[Hagelschlag]] vorzubeugen.<ref name="Römpp" />
+=== Zerlegung und Wärmegewinnung ===
+Wird ein Metallplättchen (ähnlich dem in einem [[Knackfrosch]]) im Wärmekissen gedrückt, löst das die Kristallisation aus. Das Kissen erwärmt sich dabei wieder auf die Schmelztemperatur, wobei die vollständige Kristallisation und damit die Freigabe der [[Kristallisationsenthalpie]] sich über eine längere Zeit erstrecken kann. Als Auslöser für die Kristallisation kommen in Frage:
+* die [[Druckwelle]], die durch das Drücken des Metallplättchens ausgelöst wird,
+* die dabei verursachte Freisetzung mikroskopisch kleiner [[Kristallisationskeim]]e, die sich bei jeder Kristallisation in kleinen Ritzen des Metalls festsetzen.<ref>Mansel A. Rogerson, Silvana S. S. Cardoso: ''Solidification in heat packs: I. Nucleation rate.'' In: ''AIChE Journal.'' 49, 2003, S.&nbsp;505–515. [[doi:10.1002/aic.690490220]].</ref>
+== Einzelnachweise ==
+<references />
+{{SORTIERUNG:Ubersattigung}}
+[[Kategorie:Thermodynamik]]
+[[Kategorie:Pharmazeutische Technologie]]