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Zustandsformen der Materie

Stoff

In der Chemie Bez. für jede Art von Materie, d.h. die Erscheinungsarten, die gekennzeichnet sind durch ihre gleichbleibenden charakterist. Eig., unabhängig von der äußeren Form. Unter Stoffumwandlung versteht man die Überführung eines Ausgangs- in ein od. mehrere Endprodukte. Der Begriff Stofftransport umfaßt den Stoffaustausch innerhalb des Syst. u. zwar sowohl die makroskop. als auch die mol. Transport-Prozesse (z.B. Diffusion, Konvektion u. Stoffdurchgang durch Phasengrenzflächen) u. die Stofftrennung. Grundeinheit für Stoffmengen ist das Mol.

Aggregatzustände

Bereits im Altertum unterschied man zwischen dem festen, flüssigen u. gasförmigen Zustand der Materie u. brachte diese mit den drei „Elementen“ Erde, Wasser u. Luft in Beziehung. Im festen A. besitzt die Materie den höchsten Ordnungsgrad. Es überwiegen die anziehenden Kräfte zwischen den Atomen, wodurch diese an feste Plätze in dem Gefüge gebunden sind. Die meisten Festkörper haben kristalline Struktur, d.h. eine bestimmte Grundstruktur (Basisgitter) wiederholt sich in regelmäßigem Abstand. Die physikalischen Eigenschaften von Kristallen werden durch skalare u. tensorielle Größen beschrieben. Kristalle besitzen ausgezeichnete Richtungen; sie sind anisotrop. Die gleiche Substanz kann verschiedene Kristallstrukturen bilden (z.B. Kohlenstoff als Graphit od. Diamant). Durch sehr schnelles Abkühlen einer Schmelze kann man amorphe Struktur erreichen, die auch als gefrorene Flüssigkeit bezeichnet wird. Im festen A. besitzt der Körper eine feste äußere Form. Von außen ausgeübte Kräfte ergeben eine Verformung, die (sofern die Kraft unter einer bestimmten Schwelle bleibt) proportional zur Stärke der Kraft ist (Hookesches Gesetz). Nach Verschwinden der Kraft geht der Körper wieder in seine Ausgangsform zurück. Wird jedoch eine für die Substanz spezifische Spannung (Kraft pro Fläche) überschritten, tritt bleibende Verformung auf, indem sich Kristallbereiche gegeneinander verschieben.

Im flüssigen A. ist der Ordnungsgrad geringer. Die Atome u. Moleküle sind auf Grund der höheren Wärmebewegung nicht mehr an feste Plätze im Gefüge gebunden, sondern leicht gegeneinander verschiebbar (Viskosität). Die anziehenden Kräfte zwischen den Partikeln sind noch so stark, daß die Substanz ein begrenztes Volumen einnimmt u. sich eine Oberfläche ausbildet (Oberflächenspannung). Im allg. sind Flüssigkeiten isotrop; dennoch kann es zur Ausrichtung von Molekülen im flüssigen A. kommen (Flüssige Kristalle). Ganz interessant ist, dass fast jeder von uns Flüssigkristalle aus dem Fernsehen kennt. Bei einem LCD Fernseher sorgen die Flüssigkristalle mittlerweile für ein gutes und klares Bild. Da diese Technik nicht mehr ganz neu ist, sind mittlerweile LCD Fernseher günstig geworden und platzsparender als ein Röhrenfernseher sind sie obendrein. Auch sind Flachbildfernseher von gefährlicher Strahlung frei, denn alte Röhrengeräte senden - wenn auch geringe - Strahlung aus.

Im gasförmigen A. liegt keine räumliche Ordnung mehr vor. Anziehende Kräfte zwischen den Teilchen sind, bei Abständen größer als einige nm, nicht mehr vorhanden. Die Eigenschaften der Substanz sind allein durch die Wärmebewegung gegeben (Brownsche Molekularbewegung, Boltzmann'sches Energieverteilungsgesetz). Gase füllen den ihnen zur Verfügung stehenden Raum gleichmäßig aus. Als weiterer A. wird der Plasma-Zustand angesehen, bei dem die elektrischen Ladungsträger (Elektronen, ionisierte Atome bzw. Moleküle) getrennt sind. Ein Plasma breitet sich im Prinzip wie ein Gas aus; es ist aber elektrisch leitend u. kann durch äußere elektrische od. magnetische Felder in seiner Ausbreitung beeinflußt werden. Durch Rekombination der Ladungsträger wird Licht emittiert.

Gasgesetze

Zustand eines Gases wird durch 4 Größen bestimmt:

  1. Masse m [ g ]
  2. Temperatur T [ °C ][ °K ]
  3. Volumen V[ L ][dm3 ]
  4. Druck p [ hPa ][ atm ][ bar ]

Standardbedingungen: 273°K und 1013 hPa (1013 mbar; 1 N/ m-²)
allgemein und ideales Gasgesetz

Summar. Bez. für die Gesetzmäßigkeiten, die den Zustand od. die Zustandsänderungen – d.h. die gegenseitigen Abhängigkeiten der Zustandsgrößen eines Gases wie Druck, Vol. u. Temp. – beschreiben. Die damit verbundenen Zustandsfunktionen sind über die Hauptsätze der Thermodynamik miteinander verknüpft. Die G., die auf alle Gase u. Dämpfe anwendbar sein sollen, gehen von folgenden Voraussetzungen aus: Die Edelgase u. die Metalldämpfe sind einatomig, hingegen sind bei Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Chlor usw. immer zwei Atome paarweise zu Mol. vereinigt. Daher wiegt z.B. 1 Mol Sauerstoff nicht etwa 16, sondern 32 g, 1 Mol Helium dagegen 4 g. Gleiche, auf Normbedingungen umgerechnete Vol. verschiedener Gase enthalten die gleiche Anzahl von Gasmol., u. zwar enthält
1 Mol eines jeden beliebigen Gases enthält die Avogadrosche Zahl (6,0221367·1023) an Molekülen, die im Normzustand stets 22,414 l (Molvolumen) erfüllen.
Neben diesem Avogadroschen, dem Boyle-Mariotte'schen u. dem Daltonschen Gesetz über die Partialdrücke gehört zu den G. das
Gay-Lussacsche Gesetz(1802): Bei gleichbleibendem Druck vergrößert sich das Vol., das ein beliebiges Gas bei 0° ausfüllt, je Grad Temp.-Erhöhung um den 273,15ten Teil des Ausgangsvolumens. Den Wert 1/273,15 nennt man den thermischen kubischen Ausdehnungs-Koeffizienten a der Gase.

Boyle-Mariotte'sches Gesetz

Boyle und Mariotte fanden beim Studium der Gase, daß das Produkt aus Druck p u. Volumen V bei gleichbleibender Temperatur konstant ist:
p·V = const für T = const.
d.h., wird das Volumen auf die Hälfte komprimiert, verdoppelt sich der Druck. Das B.-M.G. ist ein Spezialfall des
allgem. Gasgesetzes (p·V = R·T).
Dieses gilt, wie auch das B.-M.G., streng nur für ideale Gase (keine Eigenvolumina der Gaspartikel, keine Van der Waals' Kräfte zwischen den Gaspartikeln). Reale Gase erfüllen das B.-M.G. recht gut bei hohen Temperaturen (oberhalb der kritischen Temperatur) u. für große Volumina.

Avogadro-Konstante

Die A.-K. gibt die Anzahl der Atome bzw. Moleküle an, die in einem Mol eines Stoffes enthalten sind; sie ist als eine der Fundamentalkonstanten definiert. Durch neue experimentelle Verfahren konnte die Meßgenauigkeit der A.-K. in den letzten Jahren deutlich gesteigert werden. Als neuer, 1986 von der CODATA Task Group on Fundamental Constants vorgeschlagener Wert gilt:

NA = 6,0221367(36)*1023 / mol

Isobare

1. (Singular: Isobar): In der Kernphysik Bez. für Nuklide, deren Atomkerne gleiche Massenzahl (also gleiche Anzahl von Nukleonen), dagegen verschiedene Ordnungszahlen u. damit unterschiedliche Anzahlen an Protonen (u. somit auch an Neutronen) haben. Die Stabilität der I. wird in der Mattauchschen Regel formuliert.
2. (Plural: Isobaren): In funktionellen Darst. (z.B. Zustandsdiagrammen) Bez. für eine Kurve, längs derer der Zahlenwert für den Druck konstant bleibt. Die I. verbindet z.B. die – bei einem bestimmten Druck – bei Zustandsänderungen einander zugeordneten Werte von Vol. u. Temp. eines Gases miteinander. V=Vo(1+a·t) mit a = 1/273,15Grad–1 u. t=Temp. in Celsius.

Isotherme

= gleich u. thermos = warm). In funktionellen Darst. (z.B. Zustandsdiagrammen, vgl. Gasgesetze) Bez. für eine Kurve, längs derer der Zahlenwert für die Temp. konstant bleibt. Die I. verbindet z.B. die bei einer bestimmten Temp. einander zugeordneten Werte von Druck u. Vol. eines Gases gemäß dem Boyle-Mariotteschen Gesetz: p·V = konstant. Isotherme Dest. kann zu MG.-Best. herangezogen werden, s. isopiestische Lösungen. Zustandsänderungen laufen dann isotherm ab, wenn das reagierende Syst. weder Wärme aufnimmt noch abgibt (Beisp.: Carnotscher Kreisprozeß); nicht-i. Reaktionsabläufe lassen sich durch Kalorimetrie, Differentialthermoanalyse u. verwandte Verf. beobachten.

Normbedingungen | Normzustand

Nach DIN 1343 (Nov. 1975) Bez. für einen durch Normtemp. u. Normdruck festgelegten Zustand eines festen, flüssigen od. gasf. Stoffes. Der N. ist definiert durch
die Normtemp. Tn=273,15 K bzw. tn=0°
den Normdruck pn=101325 Pa=1,01325 bar (=760 Torr=1 atm).
Das Vol. von 1 m3 im N. wird in der Technik auch heute noch vielfach als Normkubikmeter (Kurzz.: Nm3) bezeichnet.

  • Molvolumen V [ L ] = 22,414 L/ mol
  • univ. Gaskonstante R = 8,3143 bar x L / K x mol

Phasenübergänge

Von griech.: phasis = Erscheinung abgeleiteter Begriff, der im allg. Sinne für Entwicklungs- u./od. Zeitabschnitte verwendet wird: Mond-P., Wachstums-P., Zellteilungs-P. In der Technik, insbes. in der Schwingungs- u. Wellenlehre steht der Begriff P. für den Zustand eines schwingenden Syst. zu jedem Zeitpunkt, so auch in der (nichtlinearen) Optik u. Optoelektronik (P.-Konjugation), in der Elektrotechnik (Null-P., P.-Verschiebung, etc.) u. der statist. Mechanik (P.-Raum). Bei thermodynamischen Syst. sind P. homogene (d.h. in allen ihren Teilen physik. gleichartige), durch scharfe Grenzflächen u. daran anschließende Zwischenphasen (E interphases) gegeneinander abgegrenzte, opt. unterscheidbare u. meist mechan. voneinander trennbare Zustandsformen der Stoffe. Ein heterogenes, d.h. aus verschiedenen P. bestehendes Syst. kann nie mehr als eine einzige Gasphase aufweisen, da sich die Gase beliebig miteinander vermischen. Bei einem flüssigen Syst. (d.h. einer abgeschlossenen Gesamtheit flüssiger Stoffe) können mehrere verschiedene P. auftreten, falls die beteiligten Flüssigkeiten nicht od. nur begrenzt miteinander mischbar sind. Festkörper (z.B. Bodenkörper von Lösungen, die Mineralien u. Legierungen) können in so viel P. auftreten wie verschiedene Krist.-Formen vorkommen; die Zahl der festen P. eines Syst. ist also prakt. unbegrenzt. Bei Leg. ist oft eine härtere P. in einer weicheren P. in Körner- od Lamellenform dispergiert. Bei intermetallischen Verbindungen sind bekannte P. die Hume-Rothery, Laves- u. Zintl- sowie die NiAs-Phasen, aber auch viele Cluster-Verbindungen können hierzu gezählt werden . Zur Phasenanalyse können die verschiedenen Meth. der analyt. Oberflächenchemie u. die Debye-Scherrer-Meth. der Kristallstrukturanalyse herangezogen werden. Unter verdeckten P. versteht man die (seltenen) Fälle, in denen Festkörperteilchen von einer Schicht fremder Struktur so umhüllt sind, daß man röntgenograph. nur die letzteren erfaßt, sofern die Krist. nicht vorher zertrümmert wurden.
Die stabile Koexistenz von zwei od. mehr diskreten P. (Aggregatzuständen u. Modifikationen) innerhalb des gleichen physik. definierten Syst. wird als Phasengleichgewicht bezeichnet. Dieses heterogene Gleichgew. stellt sich nur unter ganz bestimmten Temp.- u. Druckbedingungen ein, wobei die Existenzfähigkeit der einzelnen P. im Gleichgew. mit den anderen durch das Phasengesetz von Gibbs bestimmt ist. Einfache P.-Gleichgew. lassen sich nach der Clausius-Clapeyronschen Gleichung berechnen, für kompliziertere gibt es Näherungsrechnungen nach einem Verf. von K.G. Wilson. Die Existenzbereiche von P. werden schemat. dargestellt durch mehr od. weniger übersichtliche sog. Phasendiagramme, in denen z.B. der Abszisse die Zus. eines Gemisches, der Ordinate die Temp. zugeordnet ist (Zustandsdiagramme).

Phasendiagramm Wasser

(von lat.: sublimis = schwebend, hoch, erhaben). Der Begriff S. (Sublimieren) wird für den direkten Phasenübergang fest/gasf. verwendet, der unter Umgehung des flüssigen Zustandes erfolgt. Wie die Abb. bei Aggregatzustände zeigt, ist dieser Übergang bei allen Stoffen u. Stoffgemischen möglich, sofern ihre Druck- u. Temp.-Werte unterhalb des Tripelpunktes liegen. Die zum Sublimieren eines Stoffes erforderliche Wärme heißt S.-Wärme (Subl.-Enthalpie, s. Umwandlungswärmen); über den Zusammenhang der S.-Energie mit anderen Energien s. Born-Haber-Kreisprozeß. Der zur S. inverse Vorgang heißt Kondensation (Kondensieren). Die Bez. S. kann auch für den Gesamtvorgang fest ® gasf. ® fest verwendet werden, in Analogie zur Destillation. Spricht man von S. als Reinigungsprozeß, umfaßt der Begriff S. auch den 2. Teilschritt, die Kondensation (zuweilen auch Desubl. od. Retrosubl. bezeichnet). Pseudosublimation werden Phasenübergänge flüssig, gasf., fest genannt.
Beisp. für bei Atmosphärendruck sublimierende Stoffe: Iod, Quecksilber(II)-chlorid (dieses wird speziell Sublimat genannt), Trockeneis (CO2), ferner p-Dichlorbenzol, Naphthalin u. Campher, deren Neigung zur S. bei der Mottenbekämpfung (als Mottenkugeln, -pulver) genutzt wird. An kalten, trockenen Wintertagen sublimiert Schnee ohne zu schmelzen, im Freien aufgehängte, steif gefrorene Wäsche trocknet deshalb ziemlich rasch. Beisp. für den umgekehrten Vorgang ist die Bldg. von Rauhreif.
Die S. ist bei geeigneten techn. Stoffen ein nützliches Raffinations- u. Trennverfahren (Beisp.: Naphthalin, Phthalsäureanhydrid, Campher, Anthrachinon, Salicyl- u. Benzoesäure, Uranhexafluorid, viele Metalle) u. im Laboratorium eine beliebte Meth. zur Reinigung. Di- od. polymorphe Festkörper krist. aus der Gasphase gelegentlich in ihrer energet. höherliegenden Modifikation, die nicht selten bei Raumtemp. metastabil bleibt (HgI2, CuI-Acetat). Durch S. gereinigte Stoffe kennzeichnet man mit der Bez. „subl.“ Das S.-Phänomen macht man sich auch in der Gefriertrocknung (eine Vakuumsublimation) zunutze. Eine weitere techn. Anw. der S. ist die sog. Ablationskühlung.

Phasengesetz

(Phasenregel, Gibbssches Phasengesetz). Von J. W. Gibbs 1874 auf Grund thermodynam. Überlegungen aufgestelltes Gesetz, das lautet: Zahl der Phasen (P) + Zahl der Freiheitsgrade (F) = Zahl der Komponenten (K)+2 od. kurz

P+F=K+2.

Die Zahl der Freiheitsgrade bezeichnet die Zahl der Bestimmungsgrößen wie Druck, Temp. od. Konz., die bei einer gegebenen Phasenzahl innerhalb endlicher Grenzen abgeändert werden können, ohne daß sich dabei die Zahl der Phasen ändert; zu einer anderen Bedeutung des Freiheitsgrades s. Molwärme. Unter der Zahl der Komponenten versteht man die kleinste Zahl der Mol.-Sorten, aus denen die verschiedenen Phasen entstanden gedacht werden können; Beisp.: Wasser, Eis u. Wasserdampf bilden ein Einkomponentensyst. aus H2O-Molekülen. Liegt die ganze Wassermenge als Gas (Wasserdampf) vor, hat man nach obiger Gl. 1+F=1+2 zwei Freiheitsgrade: im divarianten Gleichgew. kann man sowohl Druck als auch Temp. abändern. Eine dritte Wahlfreiheit besteht nicht mehr, denn die Stoffmengenkonz. c (c=n/V=Mol/Vol.-Einheit) des Syst. ist nach Festlegung der beiden Freiheitsgrade Druck u. Temp. durch die Zustandsgleichung (s. Gasgesetze) pV=nRT eindeutig festgelegt. Sollen 2 Phasen (flüssiges Wasser u. Wasserdampf) nebeneinander existieren, so bleibt nach der Gl.: 2+F=1+2 hier nur noch ein Freiheitsgrad übrig (univariantes Gleichgew.): Kann die Temp. variiert werden, so wird der Druck jeweils durch die Temp. eindeutig festgelegt. Wählt man z.B. eine Temp. von 80°, so muß der Druck 473,3 mbar betragen; würde man den Druck größer (bzw. kleiner) wählen, so müßte die gasf. (bzw. flüssige) Phase verschwinden. Verlangt man, daß Eis, Wasser u. Wasserdampf (alle 3 Phasen) nebeneinander existieren sollen, so wird F=0, denn diese Forderung ist nur beim Tripelpunkt des Wassers (273,16 K u. 611 Pa) erfüllbar (invariantes od. nonvariantes Gleichgew.). Löst man im Wasser z.B. Ammoniumchlorid auf, so wird in der obigen Gl. K=2; es erhöht sich dann bei gleicher Phasenzahl die Zahl der Freiheitsgrade um eins, u. wie man dem Phasendiagramm bei Eutektikum entnehmen kann, ist dort die Bedingung des invarianten Gleichgew. beim Quadrupelpunkt erfüllt.
Bsp: Wasser

  • F = 2, d.h. 1 Phase vorhanden, p + T frei wählbar (divarianter Zustand)
  • F = 1, d.h. 2 Phasen vorhanden, p oder T wählbar (univarianter Zustand)
  • F = 0, d.h. 3 Phasen vorhanden, Tripelpunkt (invarianter Zustand)

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