Artikel über Aggregatzustände (basierend auf mikroskopischen Eigenschaften)
Im Alltag begegnen wir häufig drei verschiedenen Aggregatzuständen: festen Stoffen (z. B. Steinen, Eisen usw.), Flüssigkeiten (Wasser, Benzin usw.) und Gasen (Luft usw.). Die drei Aggregatzustände lassen sich anhand ihrer Fähigkeit unterscheiden, Form und Größe beizubehalten.
Feststoffe behalten in der Regel ihre Form und ihr Volumen bei. Flüssigkeiten hingegen passen sich dem Behälter an, in dem sie sich befinden. Füllt man beispielsweise Wasser in ein Glas, verändert es seine Form. Füllt man Wasser in eine Badewanne, verändert es seine Form. Das Volumen einer Flüssigkeit bleibt im Normalfall konstant. Stellt man ein Glas Wasser in eine Badewanne, bleibt die Wassermenge im Glas. Die Form des Wassers kann sich ändern, aber die Größe bleibt gleich. Man sollte jedoch bedenken, dass sich die Anzahl der Feststoffe und Flüssigkeiten bei Einwirkung einer ausreichend starken Kraft verändern kann.
Wie verhält es sich mit Gas? Gas hat keine feste Form und kein festes Volumen. Form und Größe des Gases passen sich stets der Form und Größe des Behälters an, in dem es sich befindet. Füllt man beispielsweise Benzin in einen Autoreifen, so verändert sich das Gas analog zum Reifenvolumen. Dasselbe gilt für das Volumen. In einem Behälter verteilt sich das Gas und füllt den gesamten Reifenraum aus. In diesem Fall verändert sich die Gasmenge entsprechend dem Reifenvolumen. Bläst man einen Ballon auf (füllt man ihn mit Luft), verändern sich Form und Volumen der Luft analog zu Form und Volumen des Ballons.
Bisher haben wir die drei Aggregatzustände lediglich anhand ihrer makroskopischen Eigenschaften (makroskopische Eigenschaften = Form und Größe eines Stoffes) unterschieden. Dies basiert natürlich auf den Ergebnissen unserer täglichen Messungen und Beobachtungen. Wir werden nun die Unterschiede zwischen den drei Aggregatzuständen anhand ihrer mikroskopischen Eigenschaften betrachten. Jeder Stoff besteht aus Atomen oder Molekülen. Wenn wir sagen, ein Stein sei stabil, wissen wir nicht, was mit den Atomen oder Molekülen im Inneren geschieht, damit der Stein fest wird. Dasselbe gilt für Wasser. Was ist mit den Atomen oder Molekülen, die sich zu Ansammlungen verbinden, sodass Wasser flüssig ist und die Atmosphäre unsichtbar bleibt?
Stoffformen basierend auf mikroskopischen Eigenschaften
Bevor wir die Unterschiede zwischen Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen anhand ihrer mikroskopischen Eigenschaften besprechen, betrachten wir ein Beispiel: Steine. Wenn wir den Sandstein genauer untersuchen, sehen wir, dass alle Teile des Steins zusammenhalten. Selbst wenn er getreten und geworfen wird, verändern sich seine Form und Größe nicht. Normalerweise bilden alle Elemente des Steins immer eine Einheit. Warum ist das so? Denken wir kurz darüber nach.
Im Inneren eines Steins befinden sich Atome oder Moleküle. Stellen Sie sich nun einen Stein vor. Versuchen Sie, sich vorzustellen, dass der Sand aus kleinen Partikeln besteht. Diese Partikel werden immer kleiner. Stellen Sie sich Atome wie kleinste Kugeln vor. Moleküle hingegen bestehen aus mehreren zusammenhaftenden Kugeln.
In Gestein gibt es so viele Moleküle oder Atome, die minimal sind. Können Sie sich die Atome in einem Stein vorstellen?
Der Durchmesser eines Atoms beträgt etwa 10-10 Wenn man sich ein Atom wie eine Kugel vorstellt, dann beträgt der Durchmesser dieser Kugel 10-10 Meter. Minimal und mit bloßem Auge nicht sichtbar … nur vorstellbar. Moleküle sind Atome, die sich zusammenfügen, daher ist die Größe eines Moleküls bedeutsamer als die eines einzelnen Atoms. Aber auch sie sind mit bloßem Auge nicht sichtbar.
Wenn Atome oder Moleküle nicht eine Einheit bilden, haften natürlich nicht alle Teile des Steins zusammen. Jedes Gesteinsstück haftet jedoch so zusammen, dass der Stein seine feste Form annimmt. Warum trennen sich Atome oder Moleküle nicht?
Tatsächlich ziehen sich die Atome oder Moleküle gegenseitig an. Würden sie sich nicht zusammenziehen, wären sie natürlich überall verstreut. Jedes Atom oder Molekül würde sich von seinen „Freunden“ trennen. So würden die Steinsplitter überall verstreut sein. Auch die Gesteinsfragmente wären verstreut und wir könnten sie schließlich nicht mehr sehen. Auch Gesteinsfragmente bestehen aus Atomen oder Molekülen. Die Atome sind winzig, daher könnten wir sie, wären sie voneinander getrennt, natürlich nicht sehen … Aber so ist die Realität nicht.
Der Stein wirkt massiv, alle Teile des Steins haften fest zusammen. Daraus können wir schließen, dass sich die Atome oder Moleküle, aus denen feste Objekte bestehen, gegenseitig anziehen müssen.
Die Anziehungskraft zwischen Atomen oder Molekülen ist eine elektromagnetische Kraft. Durch diese Anziehungskräfte rücken Atome oder Moleküle nah beieinander. Bei einer Kollision stoßen sich die Elektronen in der äußersten Schicht des Atoms oder Moleküls ab (elektrische Abstoßung). Der entstehende Abstand bewirkt eine Rückwärtsbewegung der Atome und Moleküle. Obwohl sie sich zurückbewegen, nähern sie sich aufgrund der Anziehungskraft wieder an. Die Atome oder Moleküle bewegen sich hin und her (vibrieren) und halten dabei einen Mindestabstand ein.
Der Unterschied zwischen Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen, basierend auf den tatsächlichen mikroskopischen Eigenschaften, liegt in der Stärke und Schwäche der Anziehungskräfte zwischen den Atomen oder Molekülen der drei Substanzen.
Solid
In Festkörpern sind die Anziehungskräfte zwischen den Atomen oder Molekülen so stark, dass die Atome oder Moleküle, aus denen Festkörper bestehen, immer an einem festen Ort verharren. Zwar bewegen sich die Atome oder Moleküle in Festkörpern hin und her (vibrieren), aber sie schwingen immer am selben Ort.
Die Stärke der Anziehungskräfte zwischen den Atomen oder Molekülen dieser Feststoffe ist der Grund dafür, dass Form und Volumen stets konstant sind. Selbst wenn man Steine oder Eisen wirft oder dagegen schlägt, ändert sich die Form kaum, da die Anziehungskräfte zwischen den Atomen oder Molekülen stark sind. Gibt man Steine oder Metall in einen Eimer oder eine Badewanne, bleibt das Volumen unverändert. Die starken Anziehungskräfte zwischen den Atomen oder Molekülen, aus denen diese Feststoffe bestehen, sorgen also dafür, dass sie ihre Form beibehalten und fest erscheinen.
Die Anordnung der Atome oder Moleküle in Festkörpern ähnelt dem Bild (auch Kristallgitter genannt). Dieses Bild ist vergrößert. Atome oder Moleküle sind winzig.
Flüssigkeit
In Flüssigkeiten ist die Anziehungskraft zwischen Atomen oder Molekülen schwächer, sodass sie sich frei bewegen und überlappen können. Die Atome oder Moleküle, aus denen die Flüssigkeit besteht, können sich zwar frei bewegen, aber sie können sich nicht voneinander trennen. Die starke Anziehungskraft verhindert, dass sie sich voneinander trennen.
Der Grund dafür ist, dass sich der Aggregatzustand einer Flüssigkeit ändern kann, ihr Volumen aber immer konstant bleibt. Füllt man Wasser in ein Glas, ist die Anziehungskraft zwischen den Atomen oder Molekülen nicht stark genug, um die Form des Wassers wie die des Glases zu verändern. Füllt man Wasser in eine Badewanne, passt es sich aufgrund der geringeren Anziehungskraft der Form der Badewanne an. Das Volumen einer Flüssigkeit bleibt konstant, weil die Anziehungskraft zwischen den Atomen oder Molekülen diese weiterhin zusammenhält. Die Atome oder Moleküle, aus denen das Wasser besteht, sind nicht verstreut, daher bleibt das Volumen konstant.
Die Position des Atoms oder Moleküls, aus dem die Flüssigkeit besteht, wie im Bild (der Pfeil zeigt die Bewegungsrichtung an).
Gas
In Gasen ist die Anziehungskraft zwischen den Atomen oder Molekülen schwach. Sie bewegen sich frei, da keine Bindungen zwischen ihnen bestehen. Diese schwache Anziehungskraft bewirkt, dass die Atome oder Moleküle des Gases überall verstreut sind. Die Atome in Gasen sind freier als die Atome in Feststoffen oder Flüssigkeiten.
Die Position der Atome oder Moleküle, die ein Gas bilden, ist in der Abbildung dargestellt.
Die schwache Anziehungskraft ist der Grund dafür, dass sich Form und Volumen eines Gases verändern können und warum das Auge die Luft nicht sehen kann. Atome oder Moleküle sind so klein, dass wir sie nicht sehen können, wenn sie überall verstreut sind. Sandkörner oder Zuckerkörner sind viel größer als Atome oder Moleküle, sodass sie selbst in ihrer Gesamtheit noch mit bloßem Auge erkennbar sind, wenn auch etwas schwer zu erkennen.
Feste und flüssige Stoffe sind sichtbar, weil ihre Atome bzw. Moleküle nicht verstreut sind. Die Anziehungskräfte in festen und gasförmigen Stoffen halten sie zusammen. Die Anziehungskräfte in gasförmigen Stoffen sind so schwach, dass sie die Atome bzw. Moleküle nicht zusammenhalten können. Diese geringe Anziehungskraft ist auch der Grund dafür, dass Gase und Flüssigkeiten fließen können.
