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Anorganische Chemie - Aggregatzustände und deren Änderung

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Anorganische Chemie

Aggregatzustände und deren Änderung

In diesem Kurstext stellen wir Ihnen die unterschiedlichen Aggregatzustände vor, sowie die Definition eines Systems und deren Phasen.

System

Ein System ist ein begrenzter Bereich der untersucht wird und der Rest wird als Umgebung bezeichnet.

Phase

Die Phase ist ein Teil des Systems mit einer physikalischen Homogenität, einer Oberflächenbegrenzung zum System und lässt sich von diesem separieren durch chemische, thermische oder mechanische Verfahren.  

Beispiel

Veranschaulichungsbeispiel Wasser

Wasser ist ein einphasiger Stoff mit drei Aggregatzuständen. In fester Form liegt es als Eis vor, wenn es flüssig ist dann bezeichnet man es als Wasser und im gasförmigen Zustand als Wasserdampf.
In einem mehrphasigen System haben wir dann eine Kombination von Aggregatzuständen, wie Wasser/Wasserdampf, oder Eis/Wasser.

Eis/Wasser
Eis/Wasser

Vorgänge beim Wechsel eines Aggregatzustandes

Liegt ein Stoff in flüssiger Form vor, so bezeichnet man den Übergang in den gasförmigen Zustand als Verdampfung und den Übergang in den festen Zustand als Erstarrung.

Liegt ein Stoff in fester Form vor, so bezeichnet man den Übergang in den gasförmigen Zustand als Sublimation und den Übergang in den flüssigen Zustand als Schmelzen.

Liegt ein Stoff in gasförmigen Form vor, so bezeichnet man den Übergang in den flüssigen Zustand als Kondensation und den Übergang in den festen Zustand als Resublimation.

In der nächsten Abbildung sind alle Wechsel der Aggregatzustände abgebildet:

Aggregatzustände
Aggregatzustände

Schmelzen: Damit Eis in den flüssigen Zustand übergeht, bedarf es einer Temperatur von über 273,15 K ( = 0 °C). Um diesen Zustand zu realisieren bedarf es wiederum Wärmeenergie.

Beispiel

Beispiel: Eiswürfel in einer warmen Umgebung (Raumtemperatur bei $ 293,15 K = 20°C $)

Eiswürfel bei Raumtemperatur
Eiswürfel bei Raumtemperatur

Erstarrung: Damit Wasser in den festen Zustand übergeht (gefriert) , bedarf es einer Temperatur von weniger als 273,15 K. Hierzu muss Wärmeenergie abgeführt werden.

Beispiel

Beispiel: Ein Glas Wasser im Gefrierschrank. Oder wie auf der Abbildung ein Glas aus gefrorenem Wasser

Glas aus Wasser
Glas aus Wasser

Verdampfung: Damit Wasser in den gasförmigen Zustand übergeht, bedarf es einer Temperatur von mehr als 373,15 K (= 100 °C). Wie beim Schmelzen muss eine ausreichende Zufuhr von Wärmeenergie erfolgen.

Beispiel

Beispiel: Wasser in einem sich erhitzenden Kochtopf.

Dampfentwicklung im Kochtopf
Dampfentwicklung im Kochtopf

Kondensation: Damit Gas in den flüssigen Zustand übergeht, muss eine Temperatur von weniger als 373,15 K vorliegen. Auch hier kann der Übergang durch eine Abfuhr von Wärmeenergie erfolgen.

Beispiel

Beispiel: Wasserdampf, der auf eine kalte Oberfläche trifft, kondensiert. So wie Wasserdampf aus einem Kochtopf am Küchenfenster kondensiert und die Scheibe infolgedessen beschlägt.

Kondensation von Wasser auf Oberfläche
Kondensation von Wasser auf Oberfläche

Sublimation: Damit Eis direkt in den gasförmigen Zustand übergeht ohne dabei zwischenzeitlich zu verflüssigen sind besondere Druck- und Temperaturverhältnisse erforderlich. Dabei ist einer Besonderheit von Wasser, dass es bei Temperaturen unter 273,15 K nur den Phasenübergang Fest-Gasförmig gibt.

Beispiel

Beispiel: Nasse Wäsche im Winter draußen aufhängen. Hier gefriert die Wäsche zuerst und anschließend verdampft das gefrorene Wasser.

Resublimation: Damit Wasserdampf in den festen Zustand übergeht ohne sich zwischenzeitlich zu verflüssigen, müssen erneut besondere Druck- und Temperaturverhältnisse vorliegen. Wieder liegt die Temperatur unterhalb von 273,15 K.

Beispiel

Beispiel: In Gefrierschränken taucht oft das Problem von Vereisung auf. Die Ursache für die Vereisung ist die Resublimation. Denn im Gefrierraum befindlicher Wasserdampf gefriert beim Kontakt mit den eiskalten Wandung sofort ohne sich vorher zu verflüssigen. 

Aggregatzustände von Wasser verbildlicht mit Hilfe einer Aufheizkurve:

In der nächsten Abbildung sehen Sie die Aufheizkurve von Wasser inklusive der eingezeichneten Phasen und Phasenübergänge.

Aufheizkurve von Wasser
Aufheizkurve von Wasser