Aggregatzustände
Was sind Aggregatzustände und wie sehen sie im Teilchenmodell aus? In diesem Beitrag erklären wir dir, was ein Aggregatzustand ist und wie er in einen anderen Zustand übergehen kann.
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Aggregatzustände einfach erklärt
Du kannst dir einen Aggregatzustand als einen physikalischen Zustand eines Stoffes vorstellen. Diese Zustände können sich durch eine Änderung von Temperatur oder Druck ineinander umwandeln.
Die drei klassischen Aggregatzustände sind „fest„, „flüssig“ und „gasförmig„. Diese können sich durch Druck- oder Temperaturerhöhung/-erniedrigung ineinander umwandeln. Diese Aggregatzustandsänderung kannst du in einem Phasendiagramm genauer betrachten.
In der Physik existieren neben den klassischen drei Aggregatzuständen fest, flüssig und gasförmig noch ein weiterer Aggregatzustand – der sogenannte Plasmazustand.
Teilchenmodell Aggregatzustände
Die klassischen Aggregatzustände lassen sich genauer durch das sogenannte Teilchenmodell beschreiben. Dieses erlaubt eine einfache Beschreibung zum Aufbau der Materie. Es geht davon aus, dass die Teilchen eines reinen Stoffs identisch zueinander und kugelförmig sind. Von anderen Stoffen unterscheiden sie sich beispielsweise in ihrem Volumen, ihrer Größe oder ihrer Form.
Fest
Ein Feststoff lässt sich im Allgemeinen nur schwer verformen und aufteilen. Er hat ein festes Volumen und eine feste Form.
Im Teilchenmodell betrachtet, sitzen die Teilchen fest an ihrer jeweiligen Position. Sie sind meistens regelmäßig angeordnet, nur wenige Feststoffe sind amorph (= ungeordnet). Die Teilchen können sich nur wenig bewegen und rotieren oft um ihre eigene Achse.
Zwischen den Teilchen wirken verschiedene Kräfte, wie zum Beispiel Van-der-Waals-Kräfte , Wasserstoffbrückenbindungen oder kovalente Bindungen. Durch diese teilweise starken Kräfte haben die Teilchen beim Feststoff einen sehr geringen Abstand voneinander.
Flüssig
Ein flüssiger Stoff passt sich in seiner Form der Umgebung an. Er hat zwar ein festes Volumen, aber keine feste Form.
Hier sitzen die Teilchen nun nicht mehr fest an ihrer jeweiligen Position. Sie können sich bewegen und gegenseitig verschieben. Dadurch können sie sich ständig neu anordnen.
Die Kräfte zwischen den Teilchen sind ebenfalls schwächer. Du kannst sie durch eine Erwärmung sehr leicht auflösen. So bleiben die Teilchen nicht mehr an ihrem Platz und ihr Abstand untereinander wird größer.
Gasförmig
Ein gasförmiger Stoff verteilt sich gänzlich in dem verfügbaren Raum. Er hat kein festes Volumen und auch keine feste Form.
Die Teilchen eines Gases sind sehr schnell in Bewegung. Sie haben grundsätzlich keine geregelte Anordnung und stoßen andauernd gegen die Wände eines geschlossenen Raumes. Diese Stöße bestimmen den Druck des Gases.
Die kinetische Energie der Teilchen ist nun so hoch, dass sie nicht mehr zusammenhalten können. Dadurch haben sie einen großen Abstand voneinander und stoßen nur hin und wieder zusammen.
Aggregatzustände verschiedener Stoffe
In der folgenden Tabelle haben wir dir einige wichtige Reinstoffe inklusive ihrer Schmelz- und Siedetemperatur und ihrer Aggregatzustände bei verschiedenen Bedingungen zusammengestellt:
| Stoff | Schmelztemperatur | Siedetemperatur | Temperatur: -20 °C Druck: 1013,25 mbar (Normaldruck) |
Temperatur: 25 °C Druck: 1013,25 mbar (Normaldruck) |
Temperatur: 110 °C Druck: 1013,25 mbar (Normaldruck) |
|---|---|---|---|---|---|
| Eisen | 1535 °C | 2880 °C | fest | fest | fest |
| Blei | 327 °C | 1750 °C | fest | fest | fest |
| Quecksilber | -39 °C | 357 °C | flüssig | flüssig | flüssig |
| Wasser | 0 °C | 100 °C | fest | flüssig | gasförmig |
| Sauerstoff | -219 °C | -183 °C | gasförmig | gasförmig | gasförmig |
| Helium | -272 °C | -269 °C | gasförmig | gasförmig | gasförmig |
Änderung des Aggregatzustands
Du kannst einen Stoff in einem bestimmten Aggregatzustand (fest, flüssig, gasförmig) durch eine Änderung der Temperatur und/oder des Drucks in einen anderen Zustand umwandeln. Wichtig ist aber dabei, dass sich der Stoff zwar physikalisch verändert, chemisch gesehen jedoch gleich bleibt.
Phasenübergänge
Den Bereich, in dem ein Aggregatzustand in einen anderen übergeht, kannst du als Phasenübergang bezeichnen. Insbesondere das Wasser eignet sich sehr gut, um diese Phasenübergänge genauer zu beschreiben. Dabei gehen wir von einem Normaldruck (1013,25 mbar) aus. Das bedeutet, dass die Phasenübergänge von der Temperaturänderung abhängen.
Unter einer Phase kannst du grundsätzlich einen räumlichen Bereich verstehen, in dem Materialeigenschaften (Dichte, chemische Zusammensetzung, …) gleich sind. Der Aggregatzustand stellt unter anderem ein Unterscheidungskriterium für verschiedene Phasen dar.
Ein passendes Beispiel dafür ist ein Stoffgemisch
zweier ineinander unlösbarer Flüssigkeiten (= Emulsion
), wie zum Beispiel Öl und Wasser. Während beide Stoffe in dem selben Aggregatzustand vorliegen (flüssig), bilden sie durch ihre unterschiedliche Dichte und chemische Zusammensetzung trotzdem zwei Phasen.
Oft wird der Begriff „Phase“ aber auch einfach als Synonym für den Aggregatzustand verwendet.
Schmelzen
Wenn Wasser von einem festen (Eis) zu einem flüssigen Aggregatzustand übergeht, bezeichnet man das als Schmelzen. Das Eis schmilzt, wenn eine Temperatur von 0 °C (Schmelzpunkt) erreicht wird. Dadurch ist genügend Energie vorhanden, um die Bindungen des Feststoffes zu trennen.
Den Schmelzvorgang kannst du besonders gut im Frühjahr beobachten, wenn Temperaturen über 0 °C herrschen und das Eis aus dem Winter schmilzt.
Erstarren/Gefrieren
Den Vorgang, bei dem aus flüssigem Wasser festes Eis entsteht, kannst du als Erstarren oder Gefrieren bezeichnen. Dazu muss die Temperatur unter 0 °C sinken.
Das Wasser weist beim Erstarren jedoch noch eine Besonderheit auf, die sogenannten Dichteanomalie . Während bei anderen Stoffen die Dichte durch Erstarren stark zunimmt, dehnt sich Wasser beim Gefrieren aus und verringert seine Dichte. Das kannst du besonders daran erkennen, dass Eis im Winter im oberen Bereich der Gewässer zu finden ist.
Verdampfen/Sieden
Der Phasenübergang von flüssig zu gasförmig (Wasserdampf) wird als Verdampfen oder Sieden bezeichnet. Die Energie für diesen Übergang wird bei Wasser bei 100 °C (Siedetemperatur) erreicht.
Das Verdampfen kannst du sehr gut in deiner eigenen Küche beobachten. Wenn die Siedetemperatur erreicht ist, verdampft zuerst das Wasser am Boden deines Kochtopfs. Dieser Wasserdampf ist in der Lage, als Blasen an die Oberfläche aufzusteigen (= Blubbern).
Wenn die Siedetemperatur nicht erreicht wird, das Wasser aber trotzdem von flüssigem zu gasförmigem Zustand übergeht, nennt man Verdunsten.
Ein Beispiel hierfür ist der Schweiß auf deiner Haut. Dieser verdunstet bei Kontakt mit der Luft und gibt sogenannte Verdunstungswärme ab. Dadurch wird der Schweiß kälter und deine Haut kühlt sich ab.
Kondensieren
Den Übergang von gasförmig zu flüssig kannst du als Kondensieren oder Kondensation bezeichnen.
Diesen Vorgang kannst du beobachten, wenn du auf ein Glas oder eine Scheibe „hauchst“. Der Wasserdampf bildet an der Scheibe Tropfen.
Sublimieren
Das Sublimieren oder auch die Sublimation steht für den Übergang eines Feststoffes (Eis) zu einem Gas (Wasserdampf).
Dieses Wissen kannst du nutzen, um im Winter deine Wäsche zu trocknen. Bei Temperaturen unter 0 °C gefriert das Wasser zunächst und geht dann von dem festen direkt in den gasförmigen Zustand über.
Resublimieren
Wenn ein Stoff vom gasförmigen direkt in den festen Zustand übergeht, dann resublimiert er (= Resublimation). Er wird zwischendurch nicht flüssig.
Ein Beispiel aus der Realität ist der sogenannte Raureif. Dieser entsteht, wenn der Wasserdampf der Umgebungsluft bei niedrigen Temperaturen sofort Eiskristalle bildet.
Phasendiagramme
Um die Abhängigkeit der Aggregatzustände vom Druck und der Temperatur grafisch zu beschreiben, kannst du ein Phasendiagramm heranziehen. Die y-Achse gibt den Wert für den Druck und die x-Achse für die Temperatur an.
Die Linien namens Sublimationskurve, Schmelzkurve und Dampfdruckkurve werden auch als Phasengrenzlinien bezeichnet. Sie geben den Bereich an, in dem ein Stoff in den zwei jeweiligen Aggregatzuständen abwechselnd vorkommen kann.
Auf der Dampfdruckkurve kann ein Stoff entweder flüssig oder gasförmig vorliegen. Auf der Schmelzkurve flüssig oder fest und auf der Sublimationskurve gasförmig oder fest.
Zwei wichtige Begrenzpunkte innerhalb eines Phasendiagramms sind der Tripelpunkt und der kritische Punkt.
Der Tripelpunkt oder auch Dreiphasenpunkt gibt die Temperatur und den Druck an, an dem alle drei Phasen des Systems im Gleichgewicht sind.
Der kritische Punkt steht für die Kombination aus Druck und Temperatur, bei der die flüssige und die gasförmige Phase nicht mehr unterschieden werden können.
Schau dir gerne unseren Beitrag zum Phasendiagramm von Wasser an, wenn du speziell zu diesem noch mehr erfahren möchtest.
Plasma Aggregatzustand
Neben diesen drei klassischen Aggregatzuständen existieren noch weitere, die jedoch weniger bekannt sind.
Einer dieser weiteren Zustände ist der sogenannte Plasmazustand, auch nur Plasma genannt. Ein Plasma kannst du dir als ein ionisiertes Gas vorstellen, das aus einer Mischung aus Ionen, neutralen Teilchen und Elektronen besteht. Somit enthält es also freie Ladungsträger, die untereinander ständig in verschiedenen Anregungszuständen wechselwirken. Da der Plasmazustand einige spezielle Kombination an Eigenschaften (elektrische Leitfähigkeit , …) besitzt, wird er oft als der 4. Aggregatzustand angesehen.
Dieser Zustand tritt beispielsweise in Sternen oder in Kernfusionsreaktoren auf bei denen bei sehr hohen Temperaturen Atome in Atomkern und -hülle zerlegt werden. Dadurch entsteht eine große Anzahl an freien Elektronen.
