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Dieser Artikel gehört zu dem Fach Physik und kann dem Thema Wärmelehre zugeordnet werden. Wir erklären Dir, was ein Aggregatzustand ist und welche verschiedenen Aggregatzustände es gibt. Außerdem zeigen wir Dir anhand des Beispiels Wasser, wie sich ein Aggregatzustand verändern und in einen anderen übergehen kann.
Hast du schon einmal beobachtet, wie ein Eiswürfel nach und nach kleiner wird und am Ende nur noch flüssiges Wasser übrig bleibt? Das Eis ändert dabei seinen Aggregatzustand. Der Aggregatzustand beschreibt den physikalischen Grundzustand eines Stoffes, welcher sich durch Änderungen des Drucks oder der Temperatur, also durch Wärme, verändern kann.
Die meisten Stoffe kommen in verschiedenen Aggregatzuständen vor. Grundsätzlich unterscheidet man die drei natürlichen Grundformen: fest, flüssig und gasförmig. Am Beispiel des Wassers kannst Du Dir die Aggregatzustände besser vorstellen. Liegt Wasser in einem festen Zustand vor, sprechen wir von Eis. Flüssiges Wasser kennen wir als Leitungswasser oder zum Beispiel als Regen. Und die dritte Grundform ist gasförmiges Wasser, welches auch als Wasserdampf bekannt ist.
Alle Stoffe bestehen aus zahlreichen Molekülen. Diese Moleküle befinden sich in ständiger, ungeordneter Bewegung, welche als Brownsche Molekularbewegung bezeichnet wird. Je höher die Temperatur eines Stoffes ist, desto stärker bewegen sich die Moleküle. So lassen sich die Unterschiede zwischen unterschiedlichen Aggregatzuständen durch die Unterschiede im molekularen Aufbau und den innermolekularen Kräften (Zusammenhalt der Moleküle untereinander) erklären.
Quelle: Schmidt C., Dietrich L. (2014) Materie und ihre Eigenschaften. In: Chemie für Biologen. Springer Spektrum, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642-55424-7_3
Die Aggregatzustände hängen von unterschiedlichen Faktoren hab. Zum einen von Temperatur und Druck aber auch von dem Stoff selbst und von seinen individuellen Eigenschaften. Chemisch gesehen bleibt der Stoff unverändert, lediglich seine physikalischen Bedingungen ändert sich.
Wenn ein Stoff in einem festen Aggregatzustand vor, behält dieser sowohl sein Volumen als auch seine Form. Die Moleküle schwingen in einem Feststoff daher um eine räumlich feste Position und weisen eine strenge Anordnung auf. Die Anziehungskraft zwischen den Teilchen ist sehr stark und sie liegen dicht aneinander. Man spricht hier auch von einer Gitterstruktur der Moleküle. Wasser liegt in einem festen Aggregatzustand vor, wenn die Temperatur unter 0°C sinkt.
Bei Temperaturen zwischen 0° C und 100°C liegt Wasser in einem flüssigen Aggregatzustand vor. Flüssiges Wasser verändert zwar seine Form, indem es sich stets an die Umgebung anpasst, sein Volumen bleibt dabei aber unverändert. Wenn Du zum Beispiel Wasser aus einer Flasche in ein Glas umschüttest, merkst du, dass die Menge an Wasser (also das Volumen) gleichbleibt. Es passt sich lediglich der Form des Glases an. Da die Bewegung so zwischen den Teilchen sehr stark ist, reicht die Wechselwirkung nicht mehr aus, sie an ihrem Platz zu halten. Die Moleküle können sich daher verschieben und sind nicht mehr ortsfest. Jedoch kann trotz einer ständigen Rotationsbewegung eine Anordnung der Moleküle festgestellt werden.
Erreicht Wasser eine Temperatur von über 100°C, beginnt es zu verdampfen und erreicht den gasförmigen Aggregatzustand. Wird das Wasser gasförmig, ändert es sowohl seine Form als auch sein Volumen. Beispielsweise verbreitet sich Wasserdampf, der nach dem Abkochen von Wasser im Wasserkochen entstanden ist, im ganzen Raum. Da die Bewegungsenergie sehr hoch ist, können sich die Teilchen nicht mehr zusammenhalten und bewegen sich sehr schnell. Außerdem ist ihre Anordnung aufgrund der ständigen Bewegung ungeordnet.
Du hast bereits erfahren, dass Faktoren wie Druck und Temperatur die verschiedenen Aggregatzustände beeinflussen. So können sich die Aggregatzustände verändern und ineinander übergehen. Wird einem festen Stoff, zum Beispiel Eis, Wärme zugefügt, beginnt er zu schmelzen, sofern der Schmelzpunkt bei 0°C erreicht ist.
Die Moleküle in flüssigem Wasser sind viel beweglicher als die im festen Eis. Die Anziehungskraft zwischen ihnen ist nach wie vor hoch, aber sie können sich relativ frei bewegen. Umgekehrt erstarrt flüssiges Wasser, wenn es von dem flüssigen Aggregatzustand in den festen Aggregatzustand, also in Eis übergeht. Wenn flüssigem Wasser so viel Wärme zugeführt wird, dass es über 100°C heiß wird, verdampft es und liegt dann als gasförmiges Wasser oder Wasserdampf vor. Die Moleküle bewegen sich sehr unregelmäßig und stoßen sich daher ständig gegenseitig an. Dadurch wird Bewegungsenergie übertragen. Einige Moleküle sind dann in der Lage, die Anziehungskräfte der Teilchen zu überwinden, und in die Umgebung auszutreten.
Umgekehrt bewegen sich die Moleküle bei Abkühlung langsamer und kondensieren. Wasserdampf verwandelt sich hierbei wieder in flüssiges Wasser. Dabei wird die Energie, die bei der Verdunstung aufgewendet wurde wieder freigesetzt. Die außergewöhnlichste Veränderung des Aggregatzustandes liegt vor, wenn Eis direkt in gasförmiges Wasser übergeht. Hierbei sublimiert Wasser. Umgekehrt vom gasförmigen zum festen Aggregatzustand resublimiert das Wasser. Die folgende Abbildung verbildlicht die Veränderung der Aggregatzustände noch einmal:
Frage
Beschreibe die Vorgänge, wie Aggregatzustände ineinander übergehen.
Antwort
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