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Aggregatzustand
Ein Aggregatzustand ist die Art der Verbindung und Verschiebbarkeit der kleinsten Teile, aus denen Materie zusammengesetzt ist.
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Grundidee und Abgrenzung zur Phase
Ein Aggregatzustand beschreibt, wie die kleinsten Teilchen der Materie – Atome, Moleküle oder Ionen – miteinander verbunden sind und wie beweglich sie sind. Die Zustände unterscheiden sich sprunghaft in der Mobilität der Teilchen und in der Stärke ihrer Wechselwirkungen. Deshalb zeigen sie unterschiedliche beobachtbare mechanische und rheologische Eigenschaften.
Von einer Phase ist der Aggregatzustand abzugrenzen: Eine Phase ist ein räumlich begrenzter Bereich eines Materials mit chemisch und physikalisch einheitlichen Eigenschaften. Ein Aggregatzustand kann mehrere Phasen umfassen, etwa verschiedene Kristallmodifikationen eines homogenen Feststoffs. Auch ein heterogenes Gemisch kann insgesamt fest oder flüssig sein, aber mehrere Phasen mit unterschiedlicher Zusammensetzung enthalten. Bei Gasen und Plasmen werden Aggregatzustand und Phase synonym verwendet.
Ein Phasenübergang überführt einen Stoff in einen anderen Aggregatzustand. Ausgelöst wird er durch Änderungen von Temperatur, Druck oder Volumen. Einige Stoffe, etwa Flüssigkristalle, viskoelastische Stoffe und Schmelzen besonders langkettiger Polymere, besitzen Merkmale von festen und flüssigen Stoffen. Gläser ataktischer Polymere mit hohen Molekulargewichten werden oft als Festkörper betrachtet, sind jedoch Flüssigkeiten mit stark verlangsamter Dynamik.
Klassische Zustände und Teilchenmodell
Die drei klassischen Aggregatzustände sind fest (f oder s), flüssig (fl oder l) und gasförmig (g). Ein Feststoff behält meist Form und Volumen. Eine Flüssigkeit behält ihr Volumen, passt ihre Form aber dem umgebenden Raum an. Ein Gas hat weder feste Form noch festes Volumen und füllt den verfügbaren Raum vollständig aus.
Feststoffe und Flüssigkeiten heißen zusammen kondensierte Materie. Flüssigkeiten und Gase werden als Fluide zusammengefasst. Feststoffe können kristallin oder amorph sein: Kristalline Feststoffe besitzen Fernordnung, also eine regelmäßige Struktur über große Bereiche. Amorphe Feststoffe besitzen nur Nahordnung und sind metastabil.
Im Teilchenmodell werden Atome, Moleküle und Ionen vereinfacht als kleine Kugeln dargestellt. Die mittlere kinetische Energie aller Teilchen ist ein Maß für die Temperatur. Im Gas bewegen sich Teilchen geradlinig bis zum Stoß mit anderen Teilchen oder der Gefäßwand. In Flüssigkeiten bewegen sie sich durch Lücken zwischen Nachbarteilchen; dazu gehören Diffusion und Brownsche Molekularbewegung. Im Festkörper schwingen sie um ihre Ruhelage.
Eigenschaften von Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen
In Feststoffen schwingen die Teilchen um feste Gitterplätze und rotieren meist um ihre Achsen. Mit steigender Temperatur nehmen Schwingung, Rotation und meist auch der Teilchenabstand zu; eine Ausnahme ist die Dichteanomalie. Feststoffe sind formbeständig, schwer teilbar und meist nur gering verformbar beziehungsweise spröde. Starke Anziehungskräfte wie Van-der-Waals-Kräfte, elektrostatische Kräfte zwischen Ionen, Wasserstoffbrückenbindungen oder kovalente Bindungen halten die Teilchen zusammen. Sie liegen dicht gepackt und meist regelmäßig angeordnet vor. Ihr Volumen lässt sich durch Kompression und durch Wärmeausdehnung verändern. Quantenmechanisch besitzen Teilchen auch am Grundzustand kleine Schwingungen, die Nullpunktsfluktuationen heißen.
In Flüssigkeiten sind Teilchen nicht ortsfest, sondern gegeneinander verschiebbar; bei Erwärmung bewegen sie sich schneller. Die Wechselwirkungskräfte reichen nicht mehr aus, um sie am Platz zu halten. Flüssigkeiten verteilen sich ohne Gefäß, und Farbstoff verteilt sich durch Diffusion. Die Teilchen bleiben jedoch nahe beieinander, weshalb Flüssigkeiten ähnlich wie Festkörper nur begrenzt komprimierbar sind. Sie besitzen Nahordnung, ordnen sich aber ständig neu an und haben eine deutlich geringere Viskosität. Beim Abkühlen nimmt ihr Volumen meist ab. Bei Wasser gilt dies nur bis 4 °C; zwischen 4 °C und 0 °C nimmt das Volumen wieder zu.
In Gasen ist die Bewegungsenergie so hoch, dass die Teilchen nicht zusammenhalten. Sie sind weit voneinander entfernt, ungeordnet und verteilen sich gleichmäßig im Raum. Stöße gegen Gefäßwände erzeugen Gasdruck. Gase lassen sich gut komprimieren. Physikalisch sind Dampf und Gas beide gasförmig. Umgangssprachlich sichtbarer „Dampf“ ist oft Nassdampf, also eine Mischung aus flüssigen und gasförmigen Bestandteilen. Dampf im engeren Sinn ist ein Gleichgewicht zwischen flüssiger und gasförmiger Phase und kann ohne Druckanstieg verflüssigt werden. Heißdampf oder überhitzter Dampf ist dagegen ein reales Gas, dessen Temperatur über der Kondensationstemperatur beim jeweiligen Druck liegt.
Beispiele und Übergänge
Reinstoffe werden bei 20 °C und 1013,25 hPa als Feststoff, Flüssigkeit oder Gas bezeichnet. Brom ist unter diesen Bedingungen flüssig. Die Einteilung wird zwar auch unter anderen Bedingungen verwendet, bezieht sich im engeren Sinn aber auf diese Standardbedingungen. Bei Normaldruck ist Wasser bei −10 °C fest, bei 25 °C flüssig und bei 150 °C gasförmig; seine Schmelztemperatur beträgt 0 °C und seine Siedetemperatur 100 °C. Brom ist bei −10 °C fest, bei 25 °C flüssig und bei 150 °C gasförmig; es schmilzt bei −7 °C und siedet bei 59 °C. In Gemischen entstehen je nach Aggregatzustand und Mengenanteil der Bestandteile charakteristische Gemische, zum Beispiel Nebel oder Schaum.
Die Übergänge heißen: Schmelzen von fest zu flüssig am Schmelzpunkt (Schmelzenthalpie), Erstarren oder Gefrieren von flüssig zu fest am Gefrierpunkt (Erstarrungsenthalpie), Verdampfung oder Sieden von flüssig zu gasförmig am Siedepunkt (Verdampfungsenthalpie), Kondensation von gasförmig zu flüssig am Kondensationspunkt (Kondensationsenthalpie), Sublimation von fest zu gasförmig am Sublimationspunkt (Sublimationsenthalpie) und Resublimation von gasförmig zu fest am Resublimationspunkt (Resublimationsenthalpie). Für jeden Übergang wird eine bestimmte Wärmemenge aufgenommen oder frei. Verdampfen und Sublimieren unterhalb von Siede- beziehungsweise Sublimationspunkt heißen Verdunstung.
Bei Wasser zeigen sich diese Übergänge als schmelzender Schnee, gefrierendes Seewasser, siedendes oder verdunstendes Wasser, kondensierter Wasserdampf in Nebel, Tau oder Wolken, sublimierende gefrorene Pfützen sowie resublimierender Wasserdampf als Raureif oder Eisblumen. Beim Schmelzen bricht die Kristallstruktur ab der Schmelztemperatur teilweise zusammen; beim Erstarren bilden Teilchen wieder ein dreidimensionales Gitter. Bei Verdampfen oder Sublimieren können besonders schnelle Oberflächenteilchen die Kohäsionskräfte überwinden und dabei Wärmeenergie mitnehmen. Am Siede- oder Sublimationspunkt bleibt die Temperatur der verdampfenden Phase in der Regel konstant, während die zugeführte Wärme die Entropie erhöht. Starke Volumenzunahme beim Verdampfen kann bei schlagartiger starker Hitzezufuhr eine physikalische Explosion verursachen. Kondensation und Resublimation sind die umgekehrten Vorgänge und geben Energie an den festen oder flüssigen Körper ab.
Phasendiagramme und weitere Zustände
Ein p-T-Phasendiagramm zeigt abhängig von Druck und Temperatur, welche Phasen und Aggregatzustände eines Stoffes vorliegen. Phasengrenzlinien markieren Bedingungen, bei denen Übergänge stattfinden; auf ihnen bestehen die betreffenden Phasen im dynamischen Gleichgewicht. Am Tripelpunkt treffen alle drei Phasengrenzlinien zusammen, sodass fest, flüssig und gasförmig gleichzeitig vorliegen können. Oberhalb des kritischen Punktes sind Flüssigkeit und Gas wegen gleicher Dichte nicht mehr unterscheidbar. Unterhalb des Tripelpunkt-Druckes ist nur fest oder gasförmig möglich; die Grenze ist die Sublimationskurve. Oberhalb dieses Druckes trennt die Schmelzkurve Feststoff und Flüssigkeit, die Siedepunktskurve Flüssigkeit und Gas. Im Flächenbereich des Diagramms gibt es zwei Freiheitsgrade, auf Phasengrenzlinien einen und am Tripel- sowie kritischen Punkt keinen.
Zu den nichtklassischen Aggregatzuständen gehören Plasma, Atomgas, der überkritische und der mesomorphe Zustand, Bose-Einstein- und Fermionen-Kondensat, Suprafluid, Suprasolid und bosonischer Metallzustand. Plasma entsteht bei sehr hohen Temperaturen, wenn Atome in Atomkern und -hülle zerlegt werden und freie Elektronen entstehen; es kommt etwa in Lichtbögen, Sternen und Kernfusionsreaktoren vor. Im Atomgas bestehen keine Moleküle mehr, die Elektronen bleiben jedoch gebunden. Der überkritische Zustand liegt oberhalb des kritischen Punktes und ist ein Mischzustand zwischen flüssig und gasförmig. Der mesomorphe Zustand liegt zwischen flüssig und fest vor, etwa bei Flüssigkristallen. Ein Bose-Einstein-Kondensat besteht aus extrem kalten Atomen im gleichen quantenmechanischen Zustand; ein Fermionen-Kondensat ist ein superkalter Zustand von Fermionen mit halbzahligem Spin. Ein Suprafluid hat keine innere Reibung. Ein Suprasolid aus superkaltem Helium-4 zeigt zugleich feste und suprafluide Eigenschaften.
