Wikijunior Die Elemente/ Aggregatzustand
MaterieBearbeiten
Ein Stoff kann so unterschiedliche Zustände einnehmen, dass man kaum noch erkennt, dass es sich um den gleichen Stoff handelt. Diese Zustände der Materie nennen wir Aggregatzustände:
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Diese Körper behalten ihre Form. Du brauchst viel Kraft, um sie zu verbiegen oder zu zerbrechen. |
Flüssigkeiten nehmen jede Form eines Behälters an und können fließen. Sie haben aber noch so viel Zusammenhalt, dass zum Beispiel eine Wasseroberfläche entsteht. Du brauchst nicht viel Kraft, um eine Flüssigkeit zu teilen. |
Auch Gase nehmen die Form ihres Behälters an, und sie füllen ihn vollständig aus. |
Stoffe können den Aggregatzustand wechseln, wenn sich die physikalischen Größen ändern. Die Betonung liegt auf physikalisch, denn egal ob er fest, flüssig oder gasförmig ist, es bleibt chemisch immer noch derselbe Stoff. Ob Eis, Wasser oder Wasserdampf, es ist immer noch Wasser. Der Aggregatzustand hängt von den physikalischen Größen Temperatur und Druck ab.
Wenn du etwas erhitzt, speicherst du Wärmeenergie im Stoff, und je mehr Wärmeenergie ein Körper enthält, um so heißer ist er. Aber am Schmelzpunkt und am Siedepunkt passiert etwas Interessantes mit der Temperatur. Wenn Eis schmilzt, bleibt die Temperatur nämlich bei 0 °C stehen, bis das ganze Eis geschmolzen ist, obwohl wir immer mehr Energie reinstecken müssen. Wo bleibt diese Energie? – Sie ist nötig, um die starken Bindungen aufzubrechen, die das Eis als Feststoff so fest machen. Den gleichen Effekt kannst du beobachten, wenn Wasser kocht: Die Temperatur wird bei 100 °C stehenbleiben, bis der letzte Tropfen verdampft ist.
Umgekehrt entzieht man dem Stoff Energie, wenn er abkühlt. Wenn Wasser zu Eis gefriert, wird die Temperatur wieder bei 0 °C stehenbleiben. Denn jetzt beginnen die Bindungskräfte wieder zu wirken, und die Energie, die wir reingesteckt haben, um die Bindungskräfte aufzubrechen, wird wieder frei.
Dass der Aggregatzustand von der Temperatur abhängt, können wir jeden Tag sehen, wenn Wasser in einem Topf kocht oder wenn es im Gefrierschrank zu Eis wird. Aber auch der Luftdruck hat einen wichtigen Einfluss auf den Aggregatzustand. Im Gebirge, in mehreren Tausend Metern Höhe, wo ein sehr geringer Luftdruck herrscht, kocht Wasser schon bei 70 °C und noch weniger.
Manche festen Stoffe werden beim Erhitzen gar nicht erst flüssig, sondern gleich gasförmig. Sie überspringen die flüssige Phase einfach. Das nennt man dann sublimieren. Die Elemente Kohlenstoff und Jod sind Stoffe, die sublimieren. Auch Trockeneis – das ist Kohlendioxid, das etwa bei unglaublichen - 80°C fest wird – wird wieder zu Gas, ohne zu schmelzen. Der Grund ist der Druck. Im vorhergehenden Absatz hast du gelesen, dass niedriger Druck die Siedetemperatur verringert. Im Weltraum, wo es gar keinen Druck gibt, kann sogar Wasser sublimieren!
FestkörperBearbeiten
Was macht sie so fest?Bearbeiten
Feste Körper sind meistens sehr hart. Es ist sehr schwer, sie zu zerbrechen oder zu verbiegen. Der Grund ist, dass zwischen den Molekülen und Atomen sehr starke Bindungskräfte herrschen. In Festkörpern hat jedes Atom einen festen Platz, an dem es durch die Bindungskräfte festgehalten wird. Es ist schon viel Kraft nötig, um diese Bindungskräfte aufzubrechen. Im Gegensatz dazu können sich die Atome in Gasen und Flüssigkeiten ziemlich frei bewegen.
KristalleBearbeiten
Eine besondere Form von Festkörpern sind Kristalle. Alle Metalle, viele Salze und manche Kunststoffe haben einen kristallinen Aufbau. Das bedeutet, dass die Atome in einer ganz bestimmten Gitterform angeordnet sind. Dieses Muster wiederholt sich immer wieder, und wenn ein Kristall in Ruhe wachsen kann, kann man dieses Muster sogar mit bloßem Auge erkennen.
Die Kristalle von Kochsalz sind zum Beispiel würfelförmig. Im Kapitel über Lösungen und Salze kannst du noch mehr erfahren.
Dieses Experiment zeigt dir, wie du Kristalle aus Salz züchten kannst.
Ein und derselbe Stoff kann je nach Temperatur und Druck sogar verschiedene Kristallformen annehmen. Kohlenstoff ist dafür ein gutes Beispiel.
Der Diamant besteht aus Kohlenstoff-Atomen, die in einer komplizierten Form des Würfel-Gitters angeordnet sind. Diese Form kann nur bei sehr hohen Temperaturen und bei großem Druck entstehen. Diamanten entstehen im Inneren der Erde, viele Kilometer unter der Oberfläche. Beim Ausbruch eines Vulkans werden sie schnell abgekühlt und in ihrer Form „eingefroren“. Ein Diamant ist durchsichtig und der härteste Stoff, den wir kennen.
Als Graphit hat Kohlenstoff eine schwarze Farbe und ist lange nicht so hart wie der Diamant. Das Atomgitter sieht aus wie sechseckige Platten, die in Schichten übereinander liegen. Die Mine eines Bleistifts besteht aus Graphit, genauso wie Kohle. Auch der Ruß einer Kerze ist Graphit.
FlüssigkeitenBearbeiten
Als nächstes reden wir über Flüssigkeiten. Wasser ist das beste Beispiel für eine Flüssigkeit. Es kann fließen und es nimmt die Form jedes Behälters an, in den du es gießt. Die Moleküle halten lange nicht so fest zusammen wie bei Feststoffen. Sie können an jeden beliebigen Platz „schwimmen“. Sie versuchen aber, einen bestimmten Abstand zueinander zu halten. Deshalb verbinden sich kleine Wassertropfen zu größeren Pfützen.
Die Bindungskräfte sorgen auch dafür, dass Flüssigkeiten nicht komprimiert werden können. Das heißt, dass sie sich nicht verkleinern, wenn du versuchst, sie zusammenzudrücken.
- Wenn du eine Fahrradluftpumpe hast, halte die Öffnung für das Ventil zu und drücke die Pumpe zusammen. Es wird schwer, aber mindestens bis zur Hälfte wirst du sie zusammenpressen können. Wäre die Pumpe voll mit Wasser, würdest du keinen Millimeter weit kommen!
Unterkühlte FlüssigkeitenBearbeiten
Unterkühlte Flüssigkeiten sind keine Festkörper, die eigentlich beim Erstarren Kristalle bilden würden. Das geschmolzene Material ist aber sehr, sehr schnell abgekühlt worden, und die Kristalle hatten keine Zeit, zu wachsen. Man kann auch sagen, dass die Struktur der Atome in der Flüssigkeit „eingefroren“ wurde.
Manchmal sind es ein paar „Zutaten“ in der Schmelze, die auf chemische Art verhindern, dass sich Kristalle bilden. So wird nämlich Glas hergestellt. Das Glas hat sogar noch einige Eigenschaften der Flüssigkeit behalten.
GaseBearbeiten
Unsere Erde ist von einer Hülle umgeben, die Atmosphäre heißt. Sie besteht aus Luft – und Luft ist ein Gas-Gemisch. Sie enthält vor allem Stickstoff (knapp 8 von 10 Teilen) und Sauerstoff (etwa 2 von 10 Teilen). Außerdem sind kleine Anteile von Kohlendioxid und Edelgasen wie Argon enthalten. Sauerstoff ist für alle Tiere und uns Menschen lebenswichtig – ohne ihn könnten wir nicht leben.
Die meisten Gase sind eigentlich unsichtbar. Rauch, Nebel oder Wolken kannst du sehen, weil winzig kleine feste oder flüssige Stoffteilchen in der Luft umherfliegen.
Gase können die Form jedes Behälters annehmen, und sie füllen ihn vollständig aus. Gase können komprimiert werden. Das heißt, mit Druck kann die gleiche Gasmenge zu einem kleineren Volumen zusammengepresst werden.
Die Bindung zwischen den Gasmolekülen ist fast ganz verschwunden. Die Moleküle versuchen noch alle denselben Abstand zu halten, aber sie können völlig frei umherfliegen.
PlasmaBearbeiten
Wenn man Stoffe sehr stark erhitzt, fangen sie an sichtbar zu leuchten. Diesen Zustand nennt man Plasma. Du findest ihn in der Kerzenflamme, in Blitzen, in der Sonne und im Plasma-Fernseher.
Die Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig beruhen darauf, dass die einzelnen Teilchen, aus denen die Stoffe bestehen, sich verschieden schnell bewegen und unterschiedlich stark zusammenhängen. So ist beispielsweise Blei bei Zimmertemperatur fest, schmilzt bei 327 °C und wird bei mehr als 1744 °C gasförmig. Je heißer die Substanz ist, desto schneller bewegen sich die Teilchen.
Und bei sehr hohen Temperaturen sind sie so schnell, dass das Plasma entstehen kann. Plasma entsteht, weil die einzelnen Moleküle und Atome, aus denen die Materie besteht, sich bei Zusammenstößen verändern. Sie sind nun elektrisch geladen. Diese geladenen Teilchen nennt man Ionen. Ionen leiten den elektrischen Strom und leuchten. (Ionen kann man auf unterschiedliche Weise herstellen. In Plasmalampen erzeugt man die Ionen elektrisch.)
Aggregatzustand und EnergieBearbeiten
Wenn man Eis in einem Topf über einem Feuer erwärmt, kann man beobachten wie das Eis langsam schmilzt. Obwohl die heißen Flammen unter dem Feuer lodern, bleibt die Temperatur gleich: Ein ins Schmelzwasser gestelltes Thermometer zeigt ständig 0°C an. Erst wenn alles Eis geschmolzen ist, steigt die Temperatur weiter an. Die Energie des Feuers wurde benötigt, um die aneinanderklebenden Wasserteilchen voneinander zu lösen. Diese Energie ist nicht verloren und steckt nun im Wasser.
Obstbauern nutzen diese Energie, um ihre Obstbäume bei einem Frosteinbruch zu schützen. Sie besprengen die Bäume mit Wasser. Das Wasser gibt beim frieren die gespeicherte Energie als Wärme wieder ab und heizen sie. Die Bäume sind zwar von einer dicken Eisschicht bedeckt, aber die Temperatur sinkt nicht unter 0°C. Diese Temperatur vertragen die Bäume.
