Die drei Aggregatzustände

Inhalt

• Aggregatzustand – Definition
• Aggregatzustände von Wasser
• Aggregatzustände – Beispiele
• Wie viele Aggregatzustände gibt es?
• Aggregatzustand – Zusammenfassung

Aggregatzustand – Definition

In der klassischen Physik gibt es genau drei Aggregatzustände: fest, flüssig und gasförmig. Grundsätzlich kann fast jeder Stoff diese Zustände annehmen, auch wenn manchmal extrem hohe oder tiefe Temperaturen dazu nötig sind. Eisen oder Glas kennen wir aus unserem Alltag zum Beispiel nur in fester Form. Aber vielleicht habt ihr schon einmal im Fernsehen gesehen, wie Eisen geschmolzen wird, um daraus Bauteile herzustellen. Es gibt aber für Aggregatzustände auch Beispiele, denen wir in unserem Leben häufig begegnen. An einem solchen Beispiel wollen wir uns anschauen, wie diese Zustände und alle Zustandsänderungen im Teilchenmodell aussehen.

Aggregatzustände von Wasser

Die drei Aggregatzustände von Wasser sehen wir häufig in unserem Alltag. Im Winter, wenn die Temperaturen unter $0~$°C fallen, gefriert Wasser zu Eis – das Wasser nimmt seinen festen Aggregatzustand an. Wenn es lange genug kalt bleibt, kann man sogar auf zugefrorenen Seen Schlittschuh laufen. Steigen die Temperaturen im Frühling wieder über $0~$°C, schmilzt das Eis und wird zu flüssigem Wasser. Man nennt diese Temperatur, bei der Wasser zu Eis wird, deswegen auch den Gefrierpunkt (beim Übergang von flüssig zu fest) oder Schmelzpunkt (beim Übergang von fest zu flüssig) von Wasser. Den dritten Aggregatzustand von Wasser kennen wir zum Beispiel vom Kochen: Wird Wasser in einem Topf auf eine Temperatur von mindestens $100~$°C erhitzt, beginnt es, zu sieden. Ein Teil des Wassers steigt in Form von gasförmigem Wasserdampf auf. Die Temperatur, ab der ein Stoff zu sieden beginnt, nennt man Siedepunkt.

Aggregatzustände im Teilchenmodell

Schauen wir uns nun an, wie die Aggregatzustände im Teilchenmodell aussehen. Dazu stellen wir uns vor, dass unser Material aus lauter kleinen, kugelförmigen Teilchen besteht. Zwischen diesen Kugeln wirken anziehende Kräfte, die sie zusammenhalten. Im festen Zustand sind diese Kräfte sehr stark und die Teilchen sind sehr eng zusammen. Das ist zum Beispiel bei Wasser in der Form von Eis so.

Erhöhen wir die Temperatur, führen also Wärme zu, wird die Wirkung der anziehenden Kräfte geschwächt und es kommt zu einer Aggregatzustandsänderung. Die Teilchen sind zwar immer noch in kleinen Gruppen aneinandergebunden, können sich aber auch trennen und mit anderen Kugeln neue Gruppen bilden. Der Stoff ist jetzt flüssig. Bei Wasser wäre das bei über $0~$°C der Fall.

Erhöhen wir die Temperatur noch weiter, fügen also noch mehr Wärme hinzu, sind die Teilchen gar nicht mehr aneinandergebunden. Sie sind die meiste Zeit weit voneinander entfernt und können sich frei bewegen. Der Stoff liegt jetzt im gasförmigen Zustand vor. Bei Wasser wäre das bei über $100~$°C der Fall.

Man kann die Aggregatzustände und Übergänge natürlich auch in umgekehrter Reihenfolge durchlaufen, also von gasförmig zu flüssig zu fest. Dabei wird dem Stoff Wärme entzogen. Das passiert zum Beispiel im Kühlschrank oder Gefrierfach. Grafisch dargestellt sehen die drei Aggregatzustände im Teilchenmodell so aus:

Zustandsänderungen in der Thermodynamik

In der Thermodynamik, die sich mit solchen Aggregatzuständen und Zustandsänderungen befasst, haben die verschiedenen Übergänge spezielle Namen. Der Übergang von fest zu flüssig ist das Schmelzen, wie wir es vom Eis kennen. Der Übergang von flüssig zu gasförmig ist das Verdampfen. Geht ein Stoff von der gasförmigen in die flüssige Form über, bezeichnen wir diesen Prozess als das Kondensieren und wenn er vom flüssigen in den festen Aggregatzustand übergeht, sprechen wir vom Erstarren.

Neben diesen Zustandsänderungen, die wir schon kennengelernt haben, gibt es auch noch das Sublimieren und das Resublimieren. Als Sublimation bezeichnet man es, wenn ein Stoff vom festen direkt in den gasförmigen Zustand übergeht. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn Wäsche trotz negativer Temperaturen im Garten trocknet. Resublimation ist der umgekehrte Prozess, wenn also ein gasförmiger Stoff direkt zum festen Zustand erstarrt. Das kann passieren, wenn man kochendes Wasser bei sehr niedrigen Temperaturen ausschüttet. Dann wird der heiße Wasserdampf zu Schnee.

Die Prozesse sind hier noch einmal in einem Schaubild zusammengefasst:

Aggregatzustände – Beispiele

Die Temperaturen, bei denen Stoffe ihre Aggregatzustände ändern, sind teilweise sehr unterschiedlich. In der folgenden Tabelle sind ein paar Beispiele für euch zusammengestellt:

Aggregatzustände – Tabelle

Wie viele Aggregatzustände gibt es?

In der klassischen Physik gibt es drei Aggregatzustände – und zwar genau die, die wir hier besprochen haben: fest, flüssig und gasförmig. Bei sehr extremen Bedingungen, wie zum Beispiel hohen Drücken oder sehr hohen Temperaturen, gibt es noch weitere Aggregatzustände. Diese Zustände bezeichnet man auch als nicht klassisch. Ein Beispiel dafür ist Plasma. Diesen Zustand findet man in Sternen wie unserer Sonne oder auch bei Kerzen: Die leuchtende Flamme, die ihr beim Brennen einer Kerze seht, ist ein Plasma.

Aggregatzustand – Zusammenfassung

In diesem Video lernst du die Aggregatzustände kennen. Du kannst dein neu erworbenes Wissen direkt testen: Rechts neben Text und Video findest du Übungen und ein Arbeitsblatt zu den Aggregatzuständen.

Quellenverzeichnis

¹ J. A. Dean (ed), Lange’s Handbook of Chemistry (15th Edition), McGraw-Hill, 1999; Section 3; Table 3.2 Physical Constants of Inorganic Compounds.

² Zhang Y; Evans JRG and Zhang S (2011). „Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks“. J. Chem. Eng. Data. 56 (2): 328–337. doi:10.1021/je1011086.

³ Freund, Mihály; Mózes, Gyula (1982). Paraffin products: properties, technologies, applications. Translated by Jakab, E. Amsterdam, The Netherlands: Elsevier. p. 121. ISBN 978-0-444-99712-8.

⁴ „Paraffin Wax“. Chemical book.