Wikijunior Die Elemente/ Aggregatzustand
Materie
[Bearbeiten]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 Kraft, um sie zu verbiegen oder zu zerbrechen. |
Flüssigkeiten nehmen jede Form eines Behälters an und können auf anderen Dingen fließen. Sie haben aber noch so viel Zusammenhalt, dass zum Beispiel eine Wasseroberfläche entsteht. Flüssigkeiten lassen sich leicht teilen. |
Auch Gase nehmen die Form ihres Behälters an, und sie füllen ihn vollständig aus. Man kann jedoch keine Oberfläche sehen (Wolken sind – streng genommen – keine Gase, mehr dazu unten im Abschnitt Gase). |
Tauen/Verflüssigen/Schmelzen ↔ Gefrieren/Erstarren
Verdampfen ↔ Kondensieren
Sublimieren ↔ Resublimieren (Achte bei Schnee in der Sonne mal auf „dampfenden Schnee“)
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 beiden physikalischen Größen Temperatur und Druck ab.
Wenn du etwas erhitzt, speicherst du Wärme im Stoff. Je mehr Wärme 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 bei 0 °C „stehen“, bis das ganze Eis geschmolzen ist, obwohl immer mehr Wärme dazu kommt. Wo bleibt diese Wärme, die 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. Die Wärme wird erstmal gebraucht, um das Wasser zu Dampf zu machen.
Umgekehrt entzieht man dem Stoff Energie, wenn er abkühlt. Wenn Wasser zu Eis gefriert, wird die Temperatur wieder bei 0 °C stehenbleiben, bis das ganze Wasser „fest“ (also Eis) geworden ist. Solange kommt die Energie „aus dem Wasser wieder raus“.
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 (warum der Kühlschrank Energie braucht, statt sie zu liefern, können wir an dieser Stelle leider nicht erklären). 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. Daher kommt der Name „Trockeneis“. Der Grund ist der Druck. Im vorhergehenden Absatz hast du gelesen, dass niedriger Druck die Siedetemperatur verringert.
Festkörper
[Bearbeiten]Was macht sie so fest?
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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.
Kristalle
[Bearbeiten]Eine besondere Form von Festkörpern sind Kristalle. Alle Metalle, viele Salze und manch kompliziertere Stoffe – wie Zucker – sind wie ein Kristall aufgebaut. Wir sagen auch, sie haben einen „kristallinen Aufbau“. Das bedeutet, dass die Atome in einer ganz bestimmten Art und Weise, einer Art Muster, 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. Hübsch sind auch Zuckerkristalle, die man in groß sogar als „Kandis-Zucker“ kaufen kann. Im Kapitel über Lösungen und Salze kannst du noch mehr erfahren. Dort zeigt dir ein Experiment, wie du Kristalle aus Salz züchten kannst. Das Kapitel Wir züchten Kristalle zeigt dir das gleiche mit Zucker.
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 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.
Flüssigkeiten
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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 zusammen gedrückt werden können.
Experiment: Kauf in der Apotheke eine kleine Spritze (du kannst sie nach dem Experiment zum Spielen in der Wanne oder draußen benutzen), sie kostet nur wenige Cent. Zieh sie einfach mit Luft auf und halte mit dem Daumen die Öffnung zu. Du wirst sie jetzt trotz verschlossener Öffnung ein bisschen zusammendrücken können. Nun zieh sie mit Wasser auf: Jetzt kannst du sie sicher nicht mehr zusammendrücken, wenn Du die Öffnung zu hälst (du kannst aber prima die Blumen aus einiger Entfernung gießen, wenn Du den Daumen weg nimmst! Mach das besser nur draußen 
).
Besondere Flüssigkeiten
[Bearbeiten]Unterkühlte Flüssigkeiten sind zwar fest, konnten aber beim Erstarren keine Kristalle bilden. Das geschmolzene Material ist sehr, sehr schnell abgekühlt worden, so hatten 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 (so nennt man die Flüssigkeit, die entsteht, wenn etwas „geschmolzen“ wird), die auf chemische Art verhindern, dass sich Kristalle bilden. Diese Möglichkeit benutzt man, um Glas herzustellen. Das Glas behält dabei sogar einige Eigenschaften der Flüssigkeit.
Manchmal können sich gemischte Flüssigkeiten sogar verhalten wie Feststoffe: Mischt man Stärke mit Wasser im richtigen Verhältnis, so kann man auf die Oberfläche drauf hauen und kommt nicht hinein. Wenn man aber den Finger langsam „rein bohrt“ ist es kein Problem. Mehr zu Mischungen erfährst du im entsprechenden Kapitel Mischungen.
Gase
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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 (ungefähr 8 von 10 Luft-Teilen) und Sauerstoff (etwa 2 von 10 Luft-Teilen). Außerdem sind kleine Anteile von Kohlendioxid (das Gas was wir ausatmen) und sogenannten Edelgasen enthalten. Ohne Sauerstoff könnten alle Tiere und auch wir Menschen nicht leben. Ohne Kohlendioxid könnten Pflanzen nicht leben. In den Kapiteln Argon oder Helium erfährst du etwas über diese zwei Edelgase. Es gibt noch mehr.
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, eine Gasmenge kann mit Kraft zu einem kleineren Volumen zusammengepresst werden (so wie im Experiment oben).
Die Bindung zwischen den Gasmolekülen ist fast ganz verschwunden. Die Moleküle „versuchen“ noch alle denselben Abstand zu halten, aber sie können völlig frei umherfliegen.
Plasma
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Wenn man Gase sehr stark erhitzt, fangen sie an sichtbar zu leuchten. Diesen Zustand nennt man Plasma. Plasma findest Du bei der Kerzenflamme, auf der Sonne und auch Blitze sind Plasma.
Die Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig sind sich ähnlich darin, 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.
Bei sehr hohen Temperaturen sind sie so schnell, dass Plasma entstehen kann. Die einzelnen Moleküle und Atome, aus denen die Materie besteht, verändern sich durch viele Zusammenstöße. Sie zerbrechen und/oder laden sich elektrisch auf. Geladene Teilchen nennt man Ionen. Durch dieses Zerbrechen und Aufladen entsteht das Leuchten.
Aggregatzustand und Energie
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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. Also, wenn es nochmal so richtig kalt wird, obwohl die Bäume bereits Knospen haben. Die Bauern besprengen die Bäume mit Wasser. Das Wasser gibt beim einfrieren die gespeicherte Energie als Wärme wieder ab und „heizt“ damit die Bäume. Die Knospen sind zwar von einer dicken Eisschicht bedeckt, aber die Temperatur sinkt nicht unter 0 °C, weil ja das Wasser gefrieren muss. Das vertragen die Bäume.
