Die drei Aggregatzustände

Die drei Aggregatzustände Übung

• Beschreibe die drei Aggregatzustände.

  Tipps

  Wasser kann – je nach Temperatur – auch in gasförmiger Form als Wasserdampf oder in fester Form als Eis auftauchen.

  Je höher die Temperatur ist, desto mehr bewegen sich die Teilchen der Stoffe und schwingen.

  Lösung

  Die drei Aggregatzustände sind fest, flüssig und gasförmig.

  In einem Feststoff sind die Teilchen eng gepackt und haben eine regelmäßige, feste Struktur. Sie bewegen sich nur minimal um ihre Gleichgewichtspositionen, da sie durch starke Anziehungskräfte zusammengehalten werden.

  In einer Flüssigkeit sind die Teilchen immer noch nah beieinander, aber sie haben mehr Freiheit, sich zu bewegen. Die Anziehungskräfte sind schwächer als in einem Feststoff, sodass die Teilchen die Fähigkeit haben, sich gegeneinander zu verschieben und zu fließen.

  In einem Gas sind die Teilchen weit voneinander entfernt und haben eine hohe Bewegungsfreiheit. Die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen sind vernachlässigbar, wodurch Gase dazu neigen, sich gleichmäßig im verfügbaren Raum auszubreiten.

• Gib die Temperaturen des Siedepunktes und des Schmelzpunktes für verschiedene Stoffe an.

  Tipps

  Bekannte Stoffe liegen nicht immer nur in einem Aggregatzustand vor. Zum Beispiel gibt es auch flüssiges Eisen oder festes Kohlenstoffdioxid $(\ce{CO_2})$, das auch als Trockeneis bezeichnet wird.

  Bei unterschiedlichen Temperaturen wechselt Wasser seinen Aggregatzustand und kann gasförmig als Wasserdampf oder fest als Eis auftauchen.

  Flüssiges Kohlenstoffdioxid $(\ce{CO_2})$ kommt nur ab einem $5$-fachen Druck vor: Bei kleinerem Druck geht Trockeneis vom festen direkt in den gasförmigen Aggregatzustand über.

  Lösung

  Der Schmelzpunkt und der Siedepunkt sind wichtige thermodynamische Eigenschaften von Substanzen und charakterisieren die Phasenübergänge, bei denen eine Substanz ihren Aggregatzustand ändert.

  
  

  Wasser:

  Der Schmelzpunkt von Wasser beträgt $0$ Grad Celsius bei normalem atmosphärischen Druck. Bei diesem Punkt wechselt gefrorenes Eis, das im Feststoffzustand vorliegt, in den flüssigen Zustand: Die Teilchen im Eis erhalten genug thermische Energie, um ihre starre Struktur zu überwinden und in einem ungeordneten Muster als flüssiges Wasser zu fließen.
  Der Siedepunkt von Wasser beträgt $100$ Grad Celsius bei normalem atmosphärischen Druck. Bei dieser Temperatur beginnt flüssiges Wasser in Dampf (Wasserdampf) überzugehen. Die Teilchen im flüssigen Wasser erhalten genügend Energie, um die Anziehungskräfte zu überwinden und als gasförmiger Wasserdampf in die Umgebungsluft zu entweichen.

  
  

  Eisen:

  Der Schmelzpunkt von Eisen liegt bei etwa $1\,535$ Grad Celsius. Bei dieser hohen Temperatur ändert sich festes Eisen in den flüssigen Zustand. Die Teilchen im Feststoff, die eine regelmäßige Gitterstruktur bilden, bekommen genug Energie, um sich frei zu bewegen und flüssiges Eisen zu bilden.
  Der Siedepunkt von Eisen liegt bei etwa $2\,862$ Grad Celsius. Bei diesen extrem hohen Temperaturen geht flüssiges Eisen in den gasförmigen Zustand über. Der Siedepunkt von Eisen liegt weit über den Temperaturen, die in den meisten natürlichen Umgebungen vorkommen.

  
  

  Kohlendioxid ($\ce{CO_2}$):

  Der Schmelzpunkt von Kohlendioxid liegt bei $-57$ Grad Celsius bei $5$-fachem Luftdruck.
  Der Siedepunkt von Kohlendioxid liegt bei $-78$ Grad Celsius. Bei dieser Temperatur geht flüssiges Kohlendioxid in den gasförmigen Zustand (Trockeneisverdampfung) über, ohne zuerst den flüssigen Zustand zu durchlaufen.

• Ermittle, welche Aggregatzustände die Substanzen bei Standardbedingungen haben.

  Tipps

  Stickstoff (chemisches Symbol: $\ce{N}$) ist ein chemisches Element und ein wichtiger Bestandteil der Luft – insbesondere in Form von molekularem Stickstoff.

  Ethanol, auch bekannt als Ethylalkohol, ist eine organische Verbindung. Ethanol ist eine der bekanntesten und am weitesten verbreiteten Alkoholarten und wird in vielen Bereichen verwendet, beispielsweise als Getränk, Lösungsmittel und Kraftstoff.

  Kochsalz, allgemein bekannt als Speisesalz oder Tafelsalz, ist eine chemische Verbindung aus Natriumchlorid. Es handelt sich um ein kristallines, weißes Pulver oder kleine Körner mit einem charakteristischen salzigen Geschmack. Kochsalz ist eines der am häufigsten genutzten Gewürze und Lebensmittelkonservierungsmittel in der menschlichen Ernährung.

  Lösung

  Je nach Temperatur und Druck können Stoffe in unterschiedlichen Aggregatzuständen vorkommen.
  Hier siehst du nun die richtige Zuordnung der Substanzen zu den Aggregatzuständen bei Raumtemperatur und unter Normaldruck:

  
  

  Feste Stoffe:

  • Gold
  • Kochsalz

  Flüssige Stoffe:

  • Wasser
  • Ethanol

  Gasförmige Stoffe:

  • Sauerstoff
  • Stickstoff

• Erkläre, welche Rolle das Wasser in der Umgebung des Eistümpels bei den unterschiedlichen Eigenschaften von Erde und Pflanzen spielt.

  Tipps

  Ein Tümpel kann nur Wasser abgeben, wenn sein Wasser flüssig ist.

  Durch Grundwasser oder Regen erhalten die Pflanzen an dem gefrorenen Tümpel ausreichend Feuchtigkeit.

  Lösung

  Das Wasser in der Umgebung des Eistümpels spielt eine entscheidende Rolle bei den unterschiedlichen Eigenschaften von Erde und Pflanzen aufgrund seiner Verfügbarkeit und Bewässerungsfunktion. Die Umgebung eines gefrorenen Eistümpels kann eine Vielzahl von Bedingungen aufweisen, die sowohl die Erde als auch die Pflanzen beeinflussen.

  Bewässerung der Pflanzen:

  Der gefrorene Tümpel gibt kein Wasser ab, da es gefroren ist und somit nicht flüssig ist. In der Umgebung des Tümpels könnten jedoch andere Wasserquellen vorhanden sein, die Pflanzen in der Nähe mit Wasser versorgen. Dies könnte zum Beispiel durch Grundwasser oder Regen geschehen. Die Pflanzen, die Zugang zu solchen Wasserquellen haben, erhalten ausreichend Feuchtigkeit und sind daher gut bewässert. Dadurch haben sie eine höhere Chance, gesund zu wachsen und ihre Eigenschaften zu entwickeln.

  Trockenheit der Erde:

  In unmittelbarer Nähe des gefrorenen Tümpels kann die Erde möglicherweise trockener sein. Da das Tümpelwasser nicht flüssig ist, kann der Tümpel keine Feuchtigkeit in den Boden abgeben, was zu einer trockeneren Umgebung führen kann. Pflanzen, die weiter entfernt vom Tümpel wachsen, haben möglicherweise einen Zugang zu anderen Wasserquellen und könnten daher weniger auf das Tümpelwasser angewiesen sein.

• Benenne die Übergänge zwischen den Aggregatzuständen.

  Tipps

  Hier siehst du die verschiedenen Aggregatzustände.

  So verhalten sich die Teilchen bei den Übergängen zwischen den verschiedenen Aggregatzuständen.

  Lösung

  Die Sublimation ist der Phasenübergang, bei dem ein Feststoff direkt in einen Gaszustand übergeht, ohne den flüssigen Zustand zu durchlaufen. Das bedeutet, dass die Teilchen im Feststoff genug Energie erhalten, um die Anziehungskräfte zu überwinden und in den gasförmigen Zustand zu wechseln.

  Beim Verdampfen geht eine Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand über. Dies kann sowohl durch Verdunsten an der Oberfläche als auch durch Sieden im gesamten Volumen der Flüssigkeit erfolgen.
  Im Falle des Verdunstens verlassen einzelne Teilchen an der Oberfläche die Flüssigkeit, wenn sie genug Energie haben, um die Anziehungskräfte zu überwinden. Die Anzahl der Teilchen, die das tun können, hängt von der Art der Flüssigkeit, dem Druck und der Temperatur ab.
  Beim Sieden dagegen bildet sich im Inneren der Flüssigkeit Dampf, der dann zur Oberfläche aufsteigt und in die Umgebungsluft entweicht.
  Der Übergang vom flüssigen zum gasförmigen Zustand erfolgt bei einer bestimmten Temperatur und unter einem bestimmten Druck, die als Siedepunkt bezeichnet werden.

  Beim Schmelzen geht ein Feststoff in den flüssigen Zustand über. Dies geschieht, wenn die Teilchen im Feststoff durch die Zugabe von Energie (Erwärmung) genug Bewegungsenergie erhalten, um ihre geordneten Strukturen zu überwinden. Die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen werden geschwächt, und die Teilchen können sich in einem unregelmäßigen Muster frei bewegen.
  Die Temperatur- und Druckverhältnisse, bei denen dieser Übergang stattfindet, wird als Schmelzpunkt bezeichnet.

• Untersuche das Phänomen des Sees.

  Tipps

  Es sind zwei Antworten richtig.

  Hier siehst du noch einmal, wie die Vorgänge beim Wechseln der Aggregatzustände heißen.

  Lösung

  Diese Erklärung basiert auf den physikalischen Prinzipien der Verdunstung und Kondensation. Die Phasen werden näher erläutert:

  
  

  Verdunstung: Wenn es auf dem heißen Planeten warm ist, dann wird Energie in Form von Wärme auf den See übertragen. Diese Wärmeenergie erhöht die kinetische Energie der Wassermoleküle im See. Das führt dazu, dass einige Moleküle genügend Energie erhalten, um von der flüssigen Phase in die gasförmige Phase überzugehen. Dieser Prozess wird Verdunstung genannt.

  Wasserdampf in der Atmosphäre: Der entstandene Wasserdampf steigt aufgrund seiner geringeren Dichte in die Atmosphäre auf. In einer normalen Umgebung würde der Wasserdampf weiter in die Atmosphäre aufsteigen und sich verteilen.

  Hohe Luftfeuchtigkeit oder kondensationsfördernde Substanzen: In diesem Szenario wird angenommen, dass die Atmosphäre des heißen Planeten eine sehr hohe Luftfeuchtigkeit aufweist oder dass bestimmte Substanzen in der Atmosphäre vorhanden sind, die die Kondensation begünstigen.

  Schnelle Kondensation: Die hohe Luftfeuchtigkeit oder die kondensationsfördernden Substanzen bewirken, dass der Wasserdampf in der Atmosphäre schnell kondensiert, also wieder von der gasförmigen in die flüssige Phase übergeht. Das könnte aufgrund einer besonderen chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre oder spezifischer Aerosole in der Luft geschehen.

  Rückfall in den See: Der kondensierte Wasserdampf (Niederschlag) fällt nun zurück zur Erde. Da der Ursprung dieses Wasserdampfes der See ist, fällt der Niederschlag in der Nähe des Sees zurück. Dieser Prozess führt dazu, dass das Wasser wieder in den See gelangt und den Wasserspiegel konstant hält.

  
  

  Diese Erklärung beruht – wie oben bereits erwähnt – auf den normalen physikalischen Prinzipien von Verdunstung und Kondensation, wobei die speziellen Bedingungen der Atmosphäre auf dem heißen Planeten eine schnelle Kondensation in der Nähe des Sees ermöglichen.