Was ist los'?
„Materie“ ist alles, was Raum einnimmt (Volumen hat) und Masse besitzt. Sie macht in irgendeiner Form alles im Universum aus; sie ist alles im Universum. Sie macht unseren Planeten und das gesamte Universum aus.
Auf der Erde existiert alle Materie in einem von drei verschiedenen Zuständen: fest, flüssig oder gasförmig.
Wussten Sie, dass der Mensch aus allen drei Hauptzuständen der Materie besteht?
Der Zustand, in dem eine Substanz bei Zimmertemperatur vorliegt, wird als Standardzustand bezeichnet. Beispielsweise ist Wasser bei Zimmertemperatur flüssig. Manche Substanzen (Sauerstoff und Kohlendioxid) liegen bei Zimmertemperatur als Gase vor, während andere, wie z. B. Wasser, flüssig sind. Die meisten Metalle liegen bei Zimmertemperatur als Feststoffe vor. Quecksilber hat die interessante Eigenschaft, in seinem Standardzustand sowohl ein Metall als auch eine Flüssigkeit zu sein.
Jeder dieser Zustände besteht aus winzigen Teilchen. Der Zustand der Materie hängt von der Anzahl der Teilchen ab, aus denen sie besteht.
Solide
Etwas wird normalerweise als fest bezeichnet, wenn es seine eigene Form behält und schwer zu komprimieren ist. Wasser in fester Form ist beispielsweise Eis. In einem Feststoff sind die Moleküle dicht beieinander und haben eine hohe Dichte.
Flüssig
Eine Flüssigkeit wie Wasser kann fließen oder laufen, aber sie kann nicht gedehnt oder gepresst werden. In Flüssigkeiten sind die Moleküle besonders nah beieinander, aber nicht so nah wie bei fester Materie; Moleküle haben die Fähigkeit, sich zu bewegen und aneinander vorbeizugleiten. Eine Flüssigkeit hat keine eigene Form, sie nimmt die Form des Behälters an, in dem sie gehalten wird. Beispiele für Flüssigkeiten sind Wasser, Milch, Saft, Benzin, Limonade usw.
Gas
Gas kann fließen, sich ausdehnen und zusammengedrückt werden. Gasförmiges Wasser ist Dampf. Wenn es sich in einem offenen Behälter befindet, entweicht es. In Gasen sind die Moleküle viel weiter verteilt als in Feststoffen oder Flüssigkeiten und stoßen zufällig miteinander zusammen. Ein Gas füllt jeden Behälter, aber wenn der Behälter nicht verschlossen ist, entweicht das Gas. Gas kann viel leichter komprimiert werden als Flüssigkeiten oder Feststoffe.
Veränderte Aggregatzustände
Materie kann in festem, flüssigem oder gasförmigem Zustand vorliegen, und der Zustand einer Substanz kann weitgehend durch ihre Temperatur bestimmt werden. Jede Substanz hat eine einzigartige Schwellentemperatur, nach der sie ihren Zustand ändert. Nachdem diese Schwellentemperatur überschritten wird, ändert die Substanz ihre Phase und damit den Zustand der Materie. Unter Bedingungen konstanten Drucks ist die Temperatur der wichtigste Faktor, der die Phase einer Substanz bestimmt.
Abhängig von der Temperatur kann Materie ihren Zustand ändern. Schmelzen, Gefrieren, Kochen, Verdampfen, Kondensation, Sublimation und Ablagerung sind Beispiele für Zustandsänderungen eines Materials.
Bei niedrigen Temperaturen nimmt die Molekülbewegung ab und Stoffe haben weniger innere Energie. Moleküle nehmen relativ zueinander einen Zustand mit niedriger Energie an und bewegen sich nur sehr wenig, was für Feststoffe charakteristisch ist. Bei steigender Temperatur wird den Bestandteilen eines Feststoffs zusätzliche Wärmeenergie zugeführt, was zu zusätzlicher Molekülbewegung führt. Moleküle beginnen, gegeneinander zu drücken und das Gesamtvolumen eines Stoffes nimmt zu. An diesem Punkt ist die Materie in den flüssigen Zustand übergegangen. Ein gasförmiger Zustand liegt vor, wenn Moleküle aufgrund erhöhter Temperaturen so viel Wärmeenergie absorbiert haben, dass sie sich mit hoher Geschwindigkeit frei umeinander bewegen können.
Bei konstantem Druck hängt der Zustand einer Substanz vollständig von der Temperatur ab, der sie ausgesetzt ist. Aus diesem Grund schmilzt Eis, wenn es aus dem Gefrierschrank genommen wird, und Wasser kocht aus einem Topf, wenn es zu lange bei zu hoher Temperatur stehen gelassen wird. Die Temperatur ist lediglich ein Maß für die Menge an Wärmeenergie, die in der Umgebung vorhanden ist. Wenn eine Substanz in eine Umgebung mit einer anderen Temperatur gebracht wird, wird Wärme zwischen der Substanz und der Umgebung ausgetauscht, wodurch beide eine Gleichgewichtstemperatur erreichen. Wenn also ein Eiswürfel Hitze ausgesetzt wird, absorbieren seine Wassermoleküle Wärmeenergie aus der umgebenden Atmosphäre und beginnen, sich mit mehr Energie zu bewegen, wodurch das Wassereis zu flüssigem Wasser schmilzt.
Schmelzen ist der Prozess, bei dem ein Feststoff in eine Flüssigkeit umgewandelt wird. Wenn ein Feststoff erhitzt wird, erhalten die Partikel mehr Energie und beginnen schneller zu vibrieren. Ab einer bestimmten Temperatur vibrieren die Partikel so stark, dass ihre geordnete Struktur zusammenbricht. An diesem Punkt schmilzt der Feststoff zu einer Flüssigkeit. Die Temperatur, bei der dieser Übergang von Feststoff zu Flüssigkeit stattfindet, wird als Schmelzpunkt bezeichnet. Jeder Feststoff hat bei normalem Luftdruck einen festgelegten Schmelzpunkt. Bei niedrigerem Luftdruck, beispielsweise auf einem Berg, sinkt der Schmelzpunkt.
Verdunstung ist der Prozess, bei dem eine Flüssigkeit in ein Gas umgewandelt wird. Wenn Sie etwas Wasser in einem Weithalsbehälter lassen, werden Sie feststellen, dass ein Teil des Wassers nach einiger Zeit verschwindet. Flüssiges Wasser wird zu einem Gas (Wasserdampf) – das ist Verdunstung. Sie tritt auf, wenn sich eine Flüssigkeit weit unter ihrem Siedepunkt in ein Gas verwandelt. In einer Flüssigkeit gibt es immer einige Partikel, die genug Energie haben, um sich vom Rest zu lösen und ein Gas zu werden.
Kondensation ist der Prozess, bei dem ein Gas in eine Flüssigkeit umgewandelt wird. Beispielsweise kühlt sich Wasserdampf in der Luft ab und verwandelt sich nach einer kalten Nacht am Morgen in winzige Tropfen flüssigen Wassers (Tau) auf Blättern und Fenstern. Kühlere Objekte absorbieren oft Energie von heißeren Objekten.
Gefrieren ist der Prozess, bei dem eine Flüssigkeit in einen Feststoff umgewandelt wird. Es ist das Gegenteil von Schmelzen. Lava ist beispielsweise flüssiges Gestein, das bei Temperaturen von bis zu 1.500 ° C (2.732 ° F) aus einem Vulkan ausbricht. Die glühend heiße Lava kühlt jedoch ab, wenn sie auf die Erdoberfläche trifft, und verwandelt sich wieder in festen Stein.
Sieden – Wenn eine Flüssigkeit erhitzt wird, erhalten die Teilchen mehr Energie. Sie beginnen, sich schneller zu bewegen und entfernen sich voneinander. Bei einer bestimmten Temperatur lösen sich die Teilchen voneinander und die Flüssigkeit wird zu Gas. Dies ist der Siedepunkt. Der Siedepunkt einer Substanz ist immer derselbe; er variiert nicht. Beispielsweise kocht Wasser, wenn es seinen Siedepunkt von 100ºC (212ºF) erreicht. Dies ist die Temperatur, bei der Wasser zu Dampf wird. Dampf ist ein unsichtbares Gas. Wenn er den Deckel erreicht, kühlt er wieder ab und wird flüssig.
Sublimation ist die Umwandlung eines Feststoffes in ein Gas, ohne dass dieser flüssig wird. Das einfachste Beispiel für Sublimation ist Trockeneis. Trockeneis ist festes Kohlendioxid (CO2). Erstaunlicherweise verwandelt sich Trockeneis, wenn man es in einem Raum liegen lässt, einfach in ein Gas, ohne flüssig zu werden. Haben Sie schon einmal von flüssigem Kohlendioxid gehört? Es kann hergestellt werden, aber nicht unter normalen Umständen. Kohle ist ein weiteres Beispiel für eine Verbindung, die bei normalem atmosphärischem Druck nicht schmilzt. Sie sublimiert bei sehr hohen Temperaturen.
Deposition ist die Umwandlung eines Gases in einen Feststoff. Sie tritt auf, wenn ein Gas zu einem Feststoff wird, ohne den flüssigen Zustand der Materie zu durchlaufen. Näher an den Polen kann man an Wintermorgen Frost sehen. Diese kleinen Frostkristalle auf Pflanzen bilden sich, wenn Wasserdampf aus der Luft auf den Blättern der Pflanzen zu Feststoffen wird.
Chemische Veränderungen versus physikalische Veränderungen
Es ist wichtig, den Unterschied zwischen chemischen und physikalischen Veränderungen zu verstehen. Bei physikalischen Veränderungen geht es normalerweise um den physikalischen Zustand der Materie, und chemische Veränderungen treten auf, wenn während einer chemischen Reaktion molekulare Bindungen aufgebrochen oder gebildet werden. Chemische Veränderungen finden auf molekularer Ebene statt.
Keine Veränderung der Moleküle
Das Dehnen eines Gummibands, das Einblasen von Luft in einen Ballon oder das Zerdrücken einer Dose sind alles Beispiele für physikalische Veränderungen. Dabei handelt es sich nur um Veränderungen in der Form der Gegenstände. Der Aggregatzustand ändert sich nicht, da sich die Energie auf molekularer Ebene nicht verändert hat. Bei einer physikalischen Veränderung findet keine Veränderung der Moleküle statt; die Moleküle bleiben dieselben, ohne dass neue chemische Bindungen gebildet oder aufgebrochen werden.
Ebenso sind das Schmelzen von Eiswürfeln, das Kochen von Wasser oder das Gefrieren von flüssigem Wasser alles physikalische Veränderungen durch Energiezufuhr. Veränderungen der Phase oder des Zustands von Materie, also von fest zu flüssig, von flüssig zu gasförmig, von flüssig zu fest, sind alles physikalische Veränderungen. Physikalische Aktionen wie Temperatur- oder Druckänderungen können physikalische Veränderungen bewirken. Beispielsweise findet beim Schmelzen von Eis oder beim Gefrieren von flüssigem Wasser keine chemische Veränderung statt, die Wassermoleküle sind immer noch Wassermoleküle.
Die Moleküle verändern
Chemische Veränderungen finden in viel kleinerem Maßstab statt. Während einige Experimente offensichtliche chemische Veränderungen, wie etwa eine Farbveränderung, zeigen, sind die meisten chemischen Veränderungen nicht sichtbar. Die chemische Veränderung, wenn Wasserstoffperoxid (H2O2) zu Wasser wird, ist nicht sichtbar, da beide Flüssigkeiten klar sind. Hinter den Kulissen werden jedoch Milliarden chemischer Bindungen gebildet und zerstört. Wenn sich Wasserstoffperoxid in Wasser verwandelt, kann man Blasen aus Sauerstoffgas (O2) sehen. Diese Blasen sind ein Beweis für chemische Veränderungen.
Das Schmelzen eines Zuckerwürfels ist eine physikalische Veränderung, da die Substanz immer noch Zucker ist. Das Verbrennen eines Zuckerwürfels ist eine chemische Veränderung. Feuer aktiviert eine chemische Reaktion zwischen Zucker und Sauerstoff. Der Sauerstoff in der Luft reagiert mit dem Zucker und die chemischen Bindungen werden aufgebrochen.
Wenn Eisen dem Sauerstoffgas in der Luft ausgesetzt wird, rostet es. Dieser Prozess kann über einen langen Zeitraum beobachtet werden. Die Moleküle verändern ihre Struktur, während das Eisen oxidiert und schließlich zu Eisenoxid wird. Rostige Rohre in verlassenen Gebäuden sind reale Beispiele für den Oxidationsprozess.
Veränderungen können reversibel oder irreversibel sein
Eine reversible Veränderung ist eine Veränderung, die wieder rückgängig gemacht werden kann. Wenn beispielsweise ein Eiswürfel schmilzt, wird er zu Wasser, aber wir können ihn wieder einfrieren, sodass er zu einem Eiswürfel wird und in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt. Schmelzen und Erhitzen sind Beispiele für reversible Veränderungen.
Eine irreversible Veränderung ist eine Veränderung, die nicht rückgängig gemacht werden kann. Wenn beispielsweise ein Kuchenteig gebacken wird, wird er zu einem Kuchen und wir können ihn nicht wieder in einen Teig verwandeln. Die Veränderung ist irreversibel, weil eine chemische Reaktion stattgefunden hat. Das Verbrennen oder Mischen einer Flüssigkeit mit Natron ist ein Beispiel für irreversible Veränderungen.
Eine kurze Übersicht über bestimmte Begriffe und zugehörige Phasenänderungen:
Fusion/Schmelzen – Feststoff zu Flüssigkeit
Einfrieren – Flüssigkeit zu Feststoff
Verdampfen/Sieden – Flüssigkeit zu Gas
Kondensation – Gas zu Flüssigkeit
Sublimation – Feststoff zu Gas
Abscheidung – Gas zu einem Feststoff
