© 2019 by Elsevier GmbH

Bitte nutzen Sie das untenstehende Formular um uns Kritik, Fragen oder Anregungen zukommen zu lassen.

Willkommen

Mehr Informationen

B978-3-437-42836-4.00008-4

10.1016/B978-3-437-42836-4.00008-4

978-3-437-42836-4

Abb. 8.1

[L253]

Die drei Aggregatzustände

Abb. 8.2

[L253]

Veranschaulichung von Diffusion und Osmose

Aggregatzustände und Teilchenbewegungen

AggregatzuständeDie drei klassischen Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig kennt ihr aus dem Alltag (Abb. 8.1). Diese lassen sich mit dem Wissen, das ihr im Verlauf der vorhergehenden Kapitel erworben hat, gut erklären. Merkt euch, dass ein Stoff grundsätzlich alle Aggregatzustände annehmen kann, auch wenn enorme Temperaturen notwendig sein können, um etwa gasförmiges Eisen zu erzeugen.

Exkurs: Temperatur

TemperaturIn den Naturwissenschaften wird die Temperatur meistens in Kelvin (K) und nicht in Grad-Celsius (°C) angegeben. Bei Formeln in der Physik müsst ihr die Angaben in Kelvin einsetzen, um korrekte Ergebnisse zu erhalten. Warum verwendet man nicht die geläufigere Einheit?
Ihr hört im Wetterbericht, dass es nächste Woche 30 °C warm werden soll. Wenn die Temperatur diese Woche nur 15 °C beträgt, könnte man versucht sein zu sagen, dass es nächste Woche „doppelt so warm“ wird. Das würde stimmen, wenn der absolute Nullpunkt, also die tiefstmögliche Temperatur bei 0 °C liegen würde. Tatsächlich liegt er aber bei ca. −273 °C. Man hat also die Kelvin-Skala geschaffen und den absoluten Nullpunkt als 0 Kelvin definiert. Um die Angelegenheit zu vereinfachen, entspricht aber eine Temperaturänderung um 1 °C auch einer Änderung um 1 Kelvin. Das erleichtert die Umrechnung immens: Wenn man von Grad Celcius in Kelvin umrechnen möchte, addiert man einfach 273 auf die Angabe in Grad Celcius. Umgekehrt zieht man beim Umrechnen in Grad Celcius 273 ab.

Aggregatzustände und Übergange

Feststoffe

FeststoffeAuch wenn wir es nicht sehen können: In einem Eisenblech sind die Atome in Bewegung. Sie bewegen sich dabei allerdings nicht frei, sondern haben ihren festen Platz, an dem sie zwar hin und her schwingen, aber ihre Position nicht grundlegend verändern. Dieser Bewegung liegt eine Energie zugrunde, die sich kinetische Energie nennt. Die kinetische Energie der Teilchen können wir als Temperatur wahrnehmen.
Wenn die kinetische Energie eines Teilchens gleich Null ist, finden auch keine Schwingungen mehr statt, der absolute Nullpunkt ist erreicht, da die Temperatur nicht weiter sinken kann. Schließlich sind keine „negativen“ Schwingbewegungen möglich.
Warum haben die Teilchen in einem Feststoff feste Plätze? Das liegt daran, dass sie von unterschiedlichen Kräften in Position gehalten werden. In Metallen sind dies die elektrostatischen Anziehungskräfte zwischen Atomrümpfen und Elektronengas, in Salzen die Wechselwirkungen, die das Ionengitter verursachen und in molekularen Verbindungen sorgen die intermolekularen Wechselwirkungen für den Zusammenhalt.
Die Konsequenzen können wir mit bloßem Auge erkennen: Da „kaum Platz“ zwischen den Molekülen ist, lassen sich Feststoffe nicht komprimieren. Außerdem ist bei einem Feststoff die Form definiert. Während sich Flüssigkeiten und Gase, wenn man sie von einem Behälter in einen anderen füllt, anpassen, hat ein Eisenblech immer dieselbe Form – egal ob in eurer Badewanne oder auf eurem Schreibtisch.

Flüssige Stoffe

FlüssigkeitenErhöhen wir nun die Temperatur unseres Feststoffs, schwingen die Teilchen stärker, bleiben aber nach wie vor an ihrem Platz. Erst wenn die kinetische Energie, die sich in den Schwingungen äußert, stark genug ist, um die Anziehungskräfte zu überwinden, haben die Teilchen keine festen Plätze mehr und der Stoff wird flüssig, er schmilzt. Umgekehrt bezeichnet man den Übergang eines Stoffs vom flüssigen in den festen Zustand als Erstarren oder Gefrieren.
In flüssigen Stoffen können die Teilchen aneinander vorbeigleiten, dementsprechend ist die Form nicht definiert. Da die Anziehungskräfte die Teilchen aber noch eng beieinanderhalten, sind auch Flüssigkeiten quasi nicht komprimierbar.

Gase

GaseErst bei weiterem Erwärmen lösen sich die Teilchen voneinander. Die Flüssigkeit wird gasförmig, sie siedet. Der Übergang eines Gases in den flüssigen Zustand wird als Kondensation bezeichnet.
Gase besitzen keine definierte Form und haben kein definiertes Volumen (passen sich ihrem Behältnis an). Sie sind folglich auch komprimierbar. Die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen sind überwunden. Da sich sowohl in Flüssigkeiten als auch in Gasen die Teilchen ohne festen Platz bewegen können, spricht man hier von der Brownschen MolekularbewegungBrownsche Molekularbewegung. Gase können zudem auch direkt aus Feststoffen entstehen. Dies ist bei Normaldruck etwa beim CO2 der Fall. Man nennt diesen Vorgang Sublimation. Um ihn beim Wasser beobachten zu können, muss man den Druck stark reduzieren.

Folgen für die Chemie

Die Aggregatzustände werden euch in der Physik noch detaillierter beschäftigen. Für die Chemie ist eine Erkenntnis wichtig: Die Anziehungskräfte zwischen den Bestandteilen eines Feststoffs müssen teilweise oder ganz überwunden werden, um ihn zum Schmelzen oder Sieden zu bringen. Bei Stoffen, in denen diese Kräfte stark ausgeprägt sind, brauchen wir viel Energie, um diese zu überwinden, was sich in höheren SchmelzSchmelztemperatur- und SiedetemperaturenSiedetemperatur äußert. Deshalb können wir, wenn uns etwa eine Strukturformel Informationen über intermolekulare Kräfte liefert, Aussagen über die Schmelzpunkte treffen. So haben etwa langkettige Kohlenwasserstoffverbindungen aufgrund der stärkeren Van-der-Waals-Kräfte einen höheren Schmelzpunkt als kurzkettige Verbindungen. Die Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden, haben grundsätzlich höhere Schmelztemperaturen als solche, in denen nur die schwächeren Van-der-Waals-Kräfte wirken. Ab einer gewissen Molekülgröße relativiert sich jedoch dieses Phänomen, da dann die Van-der-Waals-Kräfte stärker werden.
Die Eigenschaft, dass Wasser als Molekül mit geringer Masse bei Raumtemperatur flüssig (und nicht gasförmig) ist, lässt sich auf die Ausbildung von Wasserstoffbrücken zurückführen.
Verbindungen, die ausschließlich aus kleinen geladenen Teilchen bestehen (wie etwa Salze), haben aufgrund der im Vergleich zur Teilchenmasse starken Anziehungskräfte hohe Schmelzpunkte.

Diffusion und Osmose

DiffusionOsmoseWir haben bereits gelernt, dass Moleküle und Atome schwingen und sich in Flüssigkeiten und Gasen sogar frei bewegen können. Da ein Molekül normalerweise nicht allein in einem Behälter ist, stößt es dabei oft mit anderen Molekülen zusammen, was zu einer Richtungsänderung beider Kollisionspartner führt. Die Bewegungen der Teilchen sind dabei völlig ungerichtet.
Stellen wir uns nun einen Behälter mit Wasser vor. Auf der linken Seite tropfen wir 5 Farbstoffmoleküle ins Wasser, auf der rechten Seite nur eines. Die Farbstoffmoleküle werden sich auch jetzt ohne Richtung bewegen und aneinanderstoßen, wie es ihnen gerade passt. Da aber 5 Moleküle auf der linken Seite sind, ist die Wahrscheinlichkeit, dass eines dieser Moleküle nach rechts wandert, 5-mal höher als die Chance, dass das Farbstoffmolekül von der rechten Seite den Weg nach links findet.
Die an sich ungerichtete Bewegung weist also doch, zumindest statistisch, eine Richtung auf – und zwar vom Ort der hohen zum Ort der niedrigen Konzentration. Diese Bewegung nennt man Diffusion und spricht von diffundierenden Teilchen (Abb. 8.2). Die Diffusion an sich erfordert keine Energie, läuft also passiv ab. Sie kann aber genutzt werden, um Energie zu gewinnen, was die Zellen in unserem Körper auch fleißig machen.
Stellen wir uns nun vor, dass wir es unseren Teilchen etwas schwerer machen: Auf der einen Seite des Gefäßes befinden sich nach wie vor mehr Farbstoffmoleküle als auf der andern. Diesmal trennen wir die Gefäßhälften mit einer selektiv permeablen Membran, die nur die Wasser-, nicht aber die Farbstoffmoleküle passieren, man spricht auch von semipermeablen Membranen.
Da in dem Gefäß trotzdem ein Konzentrationsausgleich stattfinden soll, wandern nun Wassermoleküle von dort, wo die Konzentration an Farbstoff niedriger ist (der hypotonen Seite), auf die andere (hypertone) Seite. Diesen Prozess bezeichnet man als Osmose (Abb. 8.2).
Da durch das einströmende Wasser der Druck in der Gefäßhälfte, in der die Konzentration an gelösten Teilchen zu Anfang höher ist, zunehmen wird, kann man auch sagen, dass auf dieser Seite ein höherer osmotischer Druck herrscht. Da sich mit steigender Temperatur die Teilchen mehr bewegen und damit stärker auf die Gefäßwände stoßen, steigt auch der osmotische Druck.
Zum osmotischen Druck können natürlich nur Teilchen beitragen, die die Membran nicht passieren können. Man bezeichnet diese dann als osmotisch wirksame Teilchen. Wenn Teilchen die Membran einfach überwinden können, findet ganz normaler Konzentrationsausgleich via Diffusion statt.
Ein Begriff, den ihr für das Physikum noch kennen solltet, ist das Donnan-GleichgewichtDonnan-Gleichgewicht. Stellt euch vor, dass statt Farbstoffmolekülen Ionen in unserem Gefäß mit der semipermeablen Membran vorliegen. Einige dieser Ionen können nun die Membran überwinden, andere sind dagegen zu groß. Die beweglichen Ionen werden nun versuchen, unterschiedliche Ladungen und Konzentrationen auszugleichen, um ein Gleichgewicht herzustellen. Eine tiefgreifende Auseinandersetzung mit dem Thema kann man sich sparen, wenn man v. a. verinnerlicht, dass im Gleichgewicht das Produkt der Konzentrationen von beweglichen Anionen und Kationen intra- und extrazellulär gleich ist:
Das Gleichgewicht stellt sich mit zunehmender Temperatur schneller ein.

Zusammenfassung

  • Die kinetische Energie von Teilchen bestimmt die Temperatur.

  • Diffusion ist die Teilchenbewegung vom Ort der hohen zum Ort der niedrigen Konzentration, der die an sich ungerichtete, also zufällige, Bewegung der Teilchen zugrunde liegt.

  • Die gerichtete Bewegung von Teilchen durch eine semipermeable Membran bezeichnet man dagegen als Osmose.

Holen Sie sich die neue Medizinwelten-App!

Schließen