Aggregatzustände
Was sind Aggregatzustände und welche gibt es? In diesem Beitrag und im kurzen Video erklären wir dir, was ein Aggregatzustand ist und wie er in einen anderen Zustand übergehen kann.
Inhaltsübersicht
Aggregatzustände einfach erklärt
Ein Aggregatzustand ist einfach gesagt die Gestalt (physikalischer Zustand) eines Stoffes. Die drei klassischen Aggregatzustände sind dabei fest, flüssig und gasförmig:
- fest: Ein fester Stoff hat immer ein bestimmtes Volumen und eine feste Form. Beispiel: Eis
- flüssig: Ein flüssiger Stoff hat ein bestimmtes Volumen, aber keine feste Form. Beispiel: flüssiges Wasser
- gasförmig: Ein gasförmiger Stoff hat hingegen kein bestimmtes Volumen und keine feste Form. Beispiel: Wasserdampf
In welcher Form ein Stoff vorkommt, hängt davon ab, wie schnell sich seine kleinsten Teilchen (Atome oder Moleküle) bewegen. Die verschiedenen Aggregatzustände lassen sich deshalb durch eine Änderung der Temperatur oder des Drucks ineinander umwandeln.
Änderung der Aggregatzustände
Du kannst einen Stoff in einem bestimmten Aggregatzustand (fest, flüssig, gasförmig) in einen anderen Zustand überführen. Das gelingt dir beispielsweise durch die Änderung der Temperatur oder des Drucks.
Wichtig: Der Stoff verändert zwar seinen physikalischen Zustand, also sein Aussehen und seine Eigenschaften. Chemisch gesehen bleibt er jedoch gleich. Beispiel: Eis und flüssiges Wasser bestehen beide aus den gleichen Molekülen (H2O).
Geht ein Aggregatzustand in einen anderen über, bezeichnest du das als Phasenübergang. Du kannst grundsätzlich folgende Formen der Phasenwechsel, also Übergänge zwischen den Aggregatzuständen, unterscheiden:
- Schmelzen: Übergang von fest zu flüssig
- Erstarren: Übergang von flüssig zu fest
- Verdampfen: Übergang von flüssig zu gasförmig
- Kondensieren: Übergang von gasförmig zu flüssig
- Sublimieren: Übergang von fest zu gasförmig
- Resublimieren: Übergang von gasförmig zu fest
Du willst das Thema Aggregatzustände einfacher und kürzer erklärt bekommen? Kein Problem, dann schau dir einfach unseren Beitrag Aggregatzustand einfach erklärt an!
Aggregatzustände und Phasen
Unter einer Phase verstehst du grundsätzlich einen räumlichen Bereich, in dem Materialeigenschaften (Dichte, chemische Zusammensetzung, …) gleich sind. Der Aggregatzustand stellt unter anderem ein Unterscheidungskriterium für verschiedene Phasen dar.
Ein passendes Beispiel, um dir die Unterschiede deutlich zu machen, ist ein Stoffgemisch zweier ineinander nicht mischbare Flüssigkeiten (= Emulsion ). Nehmen wir beispielweise Öl und Wasser. Beide Stoffe liegen in dem selben Aggregatzustand, also flüssig, vor. Sie bilden allerdings durch ihre unterschiedliche Dichte und chemische Zusammensetzung zwei Phasen aus.
Beachte: Oft wird der Begriff „Phase“ aber auch einfach als Synonym für den Aggregatzustand verwendet.
Aggregatzustände Wasser
Besonders am Beispiel von Wasser kannst du die Phasenübergänge gut beobachten. Dabei gehen wir vom Normaldruck (1013,25 mbar) aus. Das bedeutet, dass die Phasenübergänge hier nur von der Temperaturänderung abhängen.
Schauen wir uns die Aggregatzustandsänderungen von Wasser einmal etwas genauer an:
Schmelzen
Wenn Wasser von einem festen (Eis) zu einem flüssigen Aggregatzustand übergeht, bezeichnest du 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
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 sogenannte Dichteanomalie . Bei anderen Stoffen nimmt die Dichte durch Erstarren nämlich stark zu. Wasser hingegen dehnt sich beim Gefrieren aus und verringert seine Dichte. Das kannst du besonders daran erkennen, dass Eis auf flüssigem Wasser schwimmen kann.
Verdampfen
Der Phasenübergang von flüssig zu gasförmig, wie bei der Entstehung von Wasserdampf, wird als verdampfen oder sieden bezeichnet. Die Energie für den 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. Dabei kommt es zu einem ‚Blubbern‘.
Wenn die Siedetemperatur nicht erreicht wird, das Wasser aber trotzdem von flüssigem zu gasförmigem Zustand übergeht, nennst du das verdunsten.
Ein Beispiel hierfür ist der Schweiß auf deiner Haut. Er 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.
Den Vorgang kannst du beobachten, wenn du auf ein Glas oder eine Scheibe „hauchst“. Der Wasserdampf bildet an der Scheibe Tropfen.
Sublimieren
Sublimieren oder auch die Sublimation steht für den Übergang eines Feststoffes wie Eis zu einem Gas wie 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 ‚überspringt‘ sozusagen den flüssigen Aggregatzustand.
Ein Beispiel aus deinem Alltag ist der sogenannte Raureif. Er entsteht, wenn der Wasserdampf der Umgebungsluft bei niedrigen Temperaturen sofort Eiskristalle bildet.
Teilchenmodell Aggregatzustände
Die klassischen Aggregatzustände kannst du genauer durch das sogenannte Teilchenmodell beschreiben. Es erlaubt nämlich eine einfache Vorstellung, wie Stoffe aufgebaut sind.
Du gehst hier davon aus, dass die kleinsten Teilchen eines Stoffes, also Atome, Moleküle oder Ionen, Kugeln sind. Die Kugeln sind dabei ständig in Bewegung. Je nach Aggregatzustand unterscheiden sich die Kugeln in ihrer Geschwindigkeit.
- fest: Im Feststoff schwingen die Teilchen nur um einen festen Platz.
- flüssig: In einer Flüssigkeit bewegen sich die Teilchen etwas schneller. Sie nehmen keine festen Plätze mehr ein und können sich gegenseitig verschieben.
- gasförmig: In einem Gas bewegen sich die Teilchen sehr schnell und sind frei beweglich.
Allgemein kannst du dir merken: Bei zunehmender Temperatur bewegen sich die Teilchen schneller, bei abnehmender Temperatur langsamer.
Schauen wir uns nun die drei klassischen Aggregatzustände im Folgenden etwas genauer an.
Fest
Ein Feststoff lässt sich im Allgemeinen nur schwer verformen und teilen. Er hat ein festes Volumen und eine feste Form. Ein fester Eiswürfel hat beispielsweise die Form, in der du ihn einfrierst.
Im Teilchenmodell kannst du dir das so vorstellen:
- Die Teilchen sitzen fest an ihrer jeweiligen Position.
- Die Teilchen können sich nur wenig bewegen und schwingen um einen festen Platz.
- Sie sind meistens regelmäßig angeordnet, nur wenige Feststoffe sind ungeordnet (amorph). Beispiel: Glas.
- Zwischen den Teilchen wirken verschiedene Kräfte, wie zum Beispiel Van-der-Waals-Kräfte , Wasserstoffbrückenbindungen oder kovalente Bindungen.
- Da die Kräfte teilweise sehr stark sind, liegen die Teilchen sehr eng beieinander.
Flüssig
Ein flüssiger Stoff passt sich in seiner Form der Umgebung an. Er hat zwar ein festes Volumen, aber keine feste Form. Du kannst zum Beispiel ein Liter Wasser in verschiedene Behälter wie eine Flasche oder ein Glas geben. Das Volumen bleibt gleich, das Wasser nimmt aber die Form des Behälters an.
Im Teilchenmodell sieht das so aus:
- Hier gibt es keine feste Ordnung mehr, deshalb haben die Teilchen auch keine feste Position mehr.
- 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 überwinden.
- So bleiben die Teilchen nicht mehr an ihrem Platz und ihr Abstand untereinander wird größer.
Gasförmig
Ein gasförmiger Stoff verteilt sich gänzlich in dem Raum, der ihm zur Verfügung steht. Er hat kein festes Volumen und auch keine feste Form. Gasförmiger Wasserdampf breitet sich beispielsweise im gesamten Raum aus, der ihm zur Verfügung steht.
Im Teilchenmodell kannst du dir das so veranschaulichen:
- Die Teilchen eines Gases sind sehr schnell in Bewegung.
- Sie haben grundsätzlich keine geregelte Anordnung und stoßen andauernd gegen die Wände eines geschlossenen Raumes. Die Stöße bestimmen den Druck des Gases.
- Die Bewegungsenergie 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 |
Phasendiagramm
Um die Abhängigkeit der Aggregatzustände vom Druck und der Temperatur grafisch darzustellen, hilft dir ein sogenanntes Phasendiagramm:
- Die y-Achse gibt den Wert für den Druck an.
- Die x-Achse steht für die Temperatur.
- Im Diagramm gibt es zudem drei Linien, die Phasengrenzlinien. Sie geben jeweils den Bereich an, in dem ein Stoff in zwei Aggregatzuständen nebeneinander vorliegt.
- Sublimationskurve: Trennlinie zwischen fest und gasförmig
- Schmelzkurve: Trennlinie zwischen fest und flüssig
- Dampfdruckkurve: Trennlinie zwischen flüssig und gasförmig
Zwei wichtige Punkte 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 unterscheidbar sind.
Schau dir gerne unseren Beitrag zum Phasendiagramm von Wasser an, um das Phasendiagramm am Beispiel von Wasser genauer erklärt zu bekommen.
Expertenwissen: Plasma Aggregatzustand
Neben den drei klassischen Aggregatzuständen — fest, flüssig und gasförmig — existieren noch weitere nicht klassische Aggregatzustände.
Dazu gehört 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 eine spezielle Kombination an Eigenschaften wie beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit besitzt, wird er oft als der 4. Aggregatzustand angesehen.
Der Zustand tritt beispielsweise in Sternen oder in Kernfusionsreaktoren auf. Hier werden bei sehr hohen Temperaturen Atome in Atomkern und -hülle zerlegt. Dadurch entsteht eine große Anzahl an freien Elektronen.
Aber was sind Sterne eigentlich genau und was unterscheidet sie von Planeten? Schau dir unser Video dazu an und finde es heraus!