11.5 Zustände von Materie und deren Änderung

In Bild 11.22 siehst du einen besonderen Eiswürfel: Er wird immer kleiner, schmilzt dabei aber nicht.

Eiswürfel, der nicht schmilzt

Bild 11.22: Eiswürfel, der nicht schmilzt

Bei dem Eiswürfel handelt es sich nicht um gefrorenes Wasser, sondern gefrorenen Stickstoff – sogenanntes Trockeneis. Wieso Trockeneis nicht flüssig wird, welche grundlegenden Zustandsformen von Materie es gibt und wie sich ihr Zustand bei Temperatur (und Druck) ändern, erfährst du in diesem Kapitel.

11.5.1 Aggregatszustände

Je nach Umgebungs-Druck und -Temperatur nehmen Stoffe unterschiedliche Aggregatszustände (engl. states of matter) an. Es gibt drei klassische Aggregatzustände: fest, flüssig und gasförmig.

In einem Feststoff (engl. solid) befinden sich die Atome und Moleküle in einem festen Gitter. Sie bleiben an Ort und Stelle und können nur um ihre Ruhelage schwingen.

Modell eines Feststoffes

Bild 11.23: Modell eines Feststoffes

In einer Flüssigkeit (engl. Liquid) sind die Atome und Moleküle lose gebunden und können sich zueinander verschieben. Sie passen sich jeder Gefäßform an.

Modell einer Flüssigkeit

Bild 11.24: Modell einer Flüssigkeit

In einem Gas (engl. gas) bewegen sich die Atome und Moleküle frei durch den Raum. In einem geschlossenen Raum verteilen sie sich in kürzester Zeit gleichmäßig. Die Stöße mit den Gefäßwänden erzeugen den Druck des Gases.

Modell eines gasförmigen Stoffes

Bild 11.25: Modell eines gasförmigen Stoffes

11.5.2 Aggregatszustandsänderung

Die Wechsel von einem Aggregatszustand in einen anderen haben bestimmte Namen.

  • Schmelzen: Bezeichnet den Übergang von fest zu flüssig.
  • Erstarren: Bezeichnet den Übergang von flüssig zu fest.
  • Verdampfung: Bezeichnet den Übergang von flüssig zu gasförmig.
  • Kondensation: Bezeichnet den Übergang von gasförmig zu flüssig.
  • Sublimation: Bezeichnet den Übergang von fest zu gasförmig. Das bekannteste Beispiel ist Trockeneis. Festes Kohlenstoffdioxid (\(\mathrm{CO}_2\)) geht bei Zimmertemperatur und Normaldruck sofort in den gasförmigen Zustand über, ohne jemals flüssig zu sein.
  • Resublimation: Bezeichnet den Übergang von gasförmig zu fest.

Das folgende Diagramm 11.26 fasst die Übergänge noch einmal zusammen.

Zusammenfassung Aggregatszustandsänderungen

Bild 11.26: Zusammenfassung Aggregatszustandsänderungen

11.5.3 Plasma

Wird ein Gas immer weiter erwärmt, kommt es irgendwann zu einem vierten Aggregatszustand: dem Plasma (engl. plasma). Bei dieser Zustandsform ist die thermische Bewegung der Teilchen so groß, das Atome in ihre Bausteine zerfallen – zuerst lösen sich die Elektronen von den Kernen und bei noch höheren Temperaturen zerfallen sogar die Kerne. Das Plasma in Bild 11.27 hat eine Temperatur von unglaublichen 23 Millionen Grad Celsius!

Plasma in einem Fusionsreaktor.

Bild 11.27: Plasma in einem Fusionsreaktor.

Den Übergang von einem Gas zu einem Plasma, bezeichnet man als Ionisation. Die Umkehrung, also den Übergang eines Plasma zu einem Gas als Rekombination.

11.5.4 Phase

Die Begriffe Aggregatszustand und Phase werden oft synonym verwendet. Eis, zum Beispiel, bezeichnet man oft als die „flüssige Phase von Wasser“. Trotzdem besteht ein Unterschied zwischen beiden Begriffen!

Als Phase (engl. phase) bezeichnet man einen Bereich gleicher physikalischer Eigenschaften (zum Beispiel Dichte (12.1.1) oder elektrische Leitfähigkeit (??)).

Manche Stoffe besitzen mehrere feste Phasen, mit unterschiedlicher Kristallstruktur. Das bekannteste Beispiel ist Kohlenstoff, der in den festen Phasen Graphit und Diamant vorkommt.

11.5.5 Phasendiagramme

Der Zusammenhang zwischen Druck, Temperatur und Phase (Aggregatszustand) kann in einem Phasendiagramm (engl. phase diagram) zusammengefasst werden (Bild 11.28).

Beispiel eines Phasendiagramms

Bild 11.28: Beispiel eines Phasendiagramms

Im Phasendiagramm kannst du zwei besondere Punkte erkennen:

  • Trippelpunkt: Bei dieser Temperatur und bei diesem Druck können alle 3 Aggregatzustände gleichzeitig existieren.

  • kritischer Punkt: Jenseits dieses Punktes kann ein Gas nicht mehr verflüssigt oder verfestigt werden. Ist die Temperatur größer als die kritische Temperatur kann es keinen flüssigen Aggregatszustand geben, egal wie groß der Druck wird.

Die Kurven in dem Phasendiagramm werden Phasengrenzlinien genannt:

  • Die Siede- oder Kondensationskurve befindet sich zwischen Trippelpunkt und dem kritischen Punkt. Sie trennt die flüssige und die gasförmige Phase.

  • Die Sublimations- oder Resublimationskurve befindet sich zwischen Trippelpunkt und Ursprung. Sie trennt die feste und die gasförmige Phase.

  • Die Schmelz- oder Erstarrungskurve trennt die feste und die flüssige Phase.

Sieh dir die Siedekurve zwischen den Bereichen flüssig und gasförmig an. Wird der Druck kleiner, sinkt die Siedetemperatur. Das hat zum Beispiel eine Auswirkung auf das Kochen von Wasser. Während Wasser auf Meereshöhe bei \(100^\circ\mathrm{C}\) siedet, ist der Luftdruck auf der Spitze des Mount Everest so klein, dass Wasser schon bei rund \(70^\circ\mathrm{C}\) zu kochen beginnt. Willst du im Gegenteil den Siedepunt erhöhen, um zum Beispiel die Kochzeit von Kartoffeln zu verkürzen, kannst du einen Druckkochtopf verwenden. Innerhalb des Kochtopfs steigt der Druck auf rund \(1{,}8\;\mathrm{bar}\). Das Kochwasser siedet dann erst bei einer Temperatur von \(117^\circ\mathrm{C}\).

11.5.6 Anomalie des Wassers

Das Phasendiagramm von Wasser (Bild 11.29) unterscheidet sich von dem Phasendiagramm eines normalen Stoffes.

Phasendiagramm von Wasser

Bild 11.29: Phasendiagramm von Wasser

Die Schmelzkurve von Wasser hat eine negative Steigung. Sie führt bei steigendem Druck hin zu niedrigeren Temperaturen. Das äußert sich zum Beispiel dadurch, dass die Dichte von Eis (feste Phase) kleiner ist als die Dichte von flüssigem Wasser. Eis schwimmt somit auf Wasser. Die Eigenschaft, dass die Dichte bei Druck geringer wird, bezeichnet man als Dichteanomalie. Außer Wasser gibt es noch weitere Stoffe die eine solche Anomalie zeigen.

Dichtekurve von Wasser

Bild 11.30: Dichtekurve von Wasser

Neben der Dichteanomalie zeigt Wasser noch eine weitere wichtige Besonderheit (Bild 11.30). Die größte Dichte besitzt flüssiges Wasser bei \(+4^{\circ}\;\mathrm{C}\) (und nicht bei \(0^{\circ}\;\mathrm{C}\)). Friert im Winter ein See zu, schichten sich die Bereiche unterschiedlicher Temperatur wie in Bild 11.31. Das wirkt einem vollständigen Durchfrieren des Gewässers entgegen und Wassertiere und -pflanzen können unter der Eisschicht überleben.

Temperaturverteilung in einem stehenden Gewässer

Bild 11.31: Temperaturverteilung in einem stehenden Gewässer