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[Bearbeiten] Die Aggregatzustände der Materie

Wenn Schnee schmilzt, wird aus dem festen Eis flüssiges Wasser.

Stoffe können den Aggregatzustand wechseln, wenn sich die physikalischen Größen ändern. Die Betonung liegt auf physikalisch, denn egal ob er fest, flüssig, oder gasförmig, chemisch ist, es bleibt immer noch der selbe 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 in dem 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 stehen bleiben, 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 stehen bleiben. 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 Kühlschrank zu Eis wird. Aber auch der Luftdruck hat einen wichtigen Einfluss auf den Aggregatzustand. Im Gebirge, in vielen 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 werden 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 Absatz über Flüssigkeiten hast du gelesen, dass niedriger Druck die Siedetemperatur verringert. Im Weltraum, wo es gar keinen Druck gibt, kann sogar Wasser sublimieren!

[Bearbeiten] Festkörper

[Bearbeiten] Was macht sie so fest?

Der Diamant ist der härteste Festkörper, den wir kennen.

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.

[Bearbeiten] Kristalle

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.

Graphit, eine Form des Kohlenstoffs

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 in 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 Bleistiftes besteht aus Graphit, genauso wie Kohle. Auch der Ruß einer Kerze ist Graphit.

[Bearbeiten] Flüssigkeiten

Wasser ist die häufigste Flüssigkeit auf der Erde, und auch der Mensch besteht zum größten Teil aus Wasser.

Als nächstes reden wir über Flüssigkeiten. Wasser ist das beste Beispiel für eine Flüssigkeit. Es kann fließen und es nimmt die Form von jedem Behälter 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!

[Bearbeiten] Unterkühlte Flüssigkeiten

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. Eine Glasscheibe, die zum Beispiel seit mehreren hundert Jahren in einer Kirche hängt, ist unten etwas dicker als oben, weil das Glas nach unten geflossen ist!

[Bearbeiten] Gase

Eigentlich sind die meisten Gase unsichtbar. Aber Wolken enthalten viele winzig kleine Wassertropfen.

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 den selben Abstand zu halten, aber sie können völlig frei umherfliegen.