Aggregatzustände

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Substanzen können in drei verschiedenen Aggregatzuständen auftreten: fest, flüssig und gasförmig. Dabei bestimmen die jeweiligen herrschenden äußeren Bedingungen, welchen Aggregatzustand eine Substanz gerade einnimmt. Zu den bestimmenden äußeren Bedingungen zählen der Druck und die Temperatur. So tritt Wasser beispielsweise bei einem Druck von 1013 hPa und einer Temperatur von 20°C als Flüssigkeit auf, bei 0°C ist es fest und bei 100°C ist es gasförmig.

Der Aggregatzustand einer Substanz ergibt sich im Wesentlichen aus den Wechselwirkungen zweier Kräfte, die auf seine kleinsten Teilchen wirken.

a)      Jedes Teilchen übt auf alle anderen Teilchen in seiner Umgebung eine Anziehungskraft aus. Diese Anziehungskraft ist groß bei geringen Abständen der Teilchen, und nimmt mit zunehmender Distanz zwischen den Teilchen ab.

b)      Des Weiteren weisen die kleinsten Teilchen einer Substanz eine Eigenbewegung auf. Aus der Masse eines Teilchens und seiner Geschwindigkeit lässt sich seine Bewegungsenergie, oder auch kinetische Energie genannt, ermitteln.

Bei festen Substanzen wie Eis überwiegen bei Temperaturen unter 0°C die Anziehungskräfte und der Aggregatzustand ist fest. Bei steigender Temperatur nimmt jedoch die Bewegungsenergie der Teilchen zu. Bei einer Temperatur von 0°C ist die kinetische Energie der Teilchen schon sehr groß und das Eis geht in den flüssigen Zustand über. Es überwiegen jedoch noch die Anziehungskräfte und die Teilchen liegen relativ Dicht beieinander, können jedoch gegeneinander verschoben werden.

Bei einer Temperatur einer Temperatur von 100°C ist die kinetische Energie der Wasserteilchen so groß, dass sie sich unabhängig von einander frei bewegen können.

In einem Gas sind die Abstände zwischen den einzelnen Teilchen sehr groß, sodass Anziehungskräfte nur noch eine geringe Rolle spielen.

Presst man ein Gas zusammen (komprimieren), verringern sich die Abstände der Teilchen. Kühlt man ein Gas ab, so vermindern sich die Geschwindigkeit und damit die Bewegungsenergie der Teilchen. In beiden Fällen nimmt die Wirksamkeit der Anziehungskräfte immer mehr zu. Bei einem bestimmten Druck oder einer bestimmten Temperatur verlieren die Teilchen sprunghaft einen Teil ihrer kinetischen Energie. Jetzt können sich die Teilchen zwar immer noch regellos durcheinander bewegen, aber sie können sich wegen der gegenseitigen Anziehungskräfte nicht mehr beliebig voneinander entfernen. Der Stoff ist in den flüssigen Zustand übergegangen. Die dabei frei gewordene Energie bezeichnet man als Kondensationswärme.

Anhand des Beispiels von „Flüssiggasen“ lässt sich die Abhängigkeit des Aggregatzustands vom Druck und der Temperatur gut erkennen. Wird beispielsweise Butangas kräftig zusammengepresst, so wird es bei einem Druck von 3039 hPa flüssig. Bei diesem Druck kann es in geschlossenen Behältern bei Zimmertemperatur flüssig gehalten werden. Bei einem Druck von 1013 hPa liegt der Siedepunkt des Gases bei 0,65°C.

Beim Abkühlen eines flüssigen Stoffes wird die Bewegungsenergie der Teilchen weiter herabgesetzt. Ab einer bestimmten Temperatur verlieren die Teilchen unter dem Einfluss der Anziehungskräfte nochmals sprunghaft kinetische Energie. Die Bewegungsenergie reicht nun nicht mehr aus, um die Anziehungskräfte zu überwinden. Die kleinsten Teilchen haben dabei ihre freie Beweglichkeit verloren und haben sich in einem „Gitter“ angeordnet. Sie können nun noch eine Pendelbewegung um ihren jeweiligen Gitterplatz vollführen. Der Stoff ist nun in den festen Aggregatzustand übergegangen und die dabei frei werdende Energie wird als Erstarrungswärme bezeichnet.

In festem Eisen lagern sich die Metallatome in einer dichten „Kugelpackung“ zusammen. Die Teilchen sind in einem Atomverband und jedes Atom weist eine bestimmte Anzahl von Nachbarn auf.

Beim Erhitzen von festem Kupfer geht es bei einer bestimmten Temperatur unter Aufnahme der Schmelzwärme in den Flüssigenzustand und später unter Aufnahme der Siede- oder Verdampfungswärme in den gasförmigen Zustand über.

Einige Stoffe sind jedoch in der Lage direkt vom festen Zustand in den gasförmigen Zustand überzugehen. Man bezeichnet den Vorgang als Sublimation. Der Umgekehrte Vorgang wird Resublimation genannt. Ein Beispiel für derartige Substanzen ist das Jod.

Verdunstung. Besonders schnelle (=heiße) Teilchen können eine Flüssigkeit auch unterhalb der Siedetemperatur verlassen. Dabei kühlt sich die Flüssigkeit ab, da in der Flüssigkeit die weniger energiereichen Teilchen zurückbleiben. Die verdunsteten Teilchen sind nach allen Seiten hin frei beweglich und können so aus dem Flüssigkeitsbehälter verlassen. Durch Energieaufnahme aus der Umwelt kann so allmählich die gesamte Flüssigkeit verdampfen.

 Aus diesem Grund verdunstet auch das Wasser aus dem Wasserglas auf der Fensterbank nach einigen Tagen.

 

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