Ich bin mir ziemlich sicher, dass Sie das Wort „Aggregatzustand“ schon einmal gehört haben, weshalb ich diese Folge mit zwei Fragen beginne:
1.) Wie viele Aggregatzustände kennen Sie?
2.) Was ist eigentlich ein Aggregatzustand?
Unter dem Wort „Aggregat“ versteht man in der Chemie einen Verbund von Molekülen. Der Aggregatzustand besagt, in welch physikalischem Zustand sich die Moleküle befinden.
Insgesamt sind uns elf Aggregatzustände bekannt. Für unser tägliches Leben sind davon vier wirklich relevant. Die drei klassischen Aggregatzustände Fest, Flüssig und Gasförmig, sowie der Nichtklassische Aggregatzustand Plasma, den man u. A. von Plasmafernsehern her kennt. Plasma ist ein gasförmiger Zustand, in dem freie Elektronen und ionisierte Atome vorkommen. Mehr als 99 % der sichtbaren leuchtenden Materie im Universum befindet sich im Plasmazustand.
Welchen Aggregatzustand ein Stoff oder eine Verbindung einnimmt, hängt von der Temperatur und dem Druck ab. Unter Normalbedingungen ist Wasser bei < 0°C gefroren, zwischen 0°C und 100°C flüssig und ab 100°C gasförmig.
Die meisten Metalle sind bei Raumtemperatur fest. Kupfer beispielsweise hat einen Schmelzpunkt von circa 1085°C. Der Siedepunkt, also der Punkt, ab dem es Verdampft, liegt bei Kupfer bei 2595 °C.
Das giftige, und auch ziemlich schwere Quecksilber hingegen ist bei Raumtemperatur flüssig. Die meisten Menschen kennen es noch aus klassischen Thermometern. Der Schmelzpunkt liegt bei -38,83 °C, der Siedepunkt bei 357 °C.
Wie gesagt, hängt der Aggregatzustand eines Stoffes von Druck und Temperatur ab. Diese Abhängigkeit lässt sich in einem Phasendiagramm darstellen. In diesem Bild sehen sie ein allgemeines Beispiel, wie so ein Diagramm aussieht. Von rechts nach links, also der X-Koordinate, sehen Sie die ansteigende Temperatur. Von unten nach oben, der Y-Koordinate, können sie den ansteigenden Druck beobachten. Je niedriger die Temperatur und je höher der Druck, umso wahrscheinlicher ist es, dass ein Stoff den Zustand „fest“ einnimmt. Keine Sorge: Wir sind noch beim Aggregatzustand, die Stoffe veranstalten keine Party.
Im nächsten Phasendiagramm sehen Sie Wasser. Wasser ist eine Anomalie. Was das bedeutet, werden wir in einer extra Folge über das Wasser genauer anschauen. Überschreiten Druck und Temperatur einen bestimmten Punkt, sprechen wir vom kritischen Punkt. Hier können Gas und Flüssigkeit aufgrund ihrer identischen Dichte nicht mehr unterschieden werden. In diesem Zustandsraum kann daher keine Phasengrenzlinie festgelegt werden.
Das ist zwar alles furchtbar interessant, aber wozu ist dieses Wissen gut?
Man unterscheidet zwischen Stoffen und Stoffgemischen. Ein reiner Stoff ist ein chemisches Element oder eine chemische Verbindung. Bei einem Stoffgemisch handelt es sich um ein Gemenge, also einer Mischung. Stoffgemische werden in homogene und heterogene Stoffgemische unterschieden.
Alkohol und Wasser, Elektrolyte (echte Lösungen), Gasgemische und die meisten Legierungen sind homogene Gemische. Emulsionen (die Verbindung aus Öl und Wasser), Suspensionen (z. B. Sand und Wasser), Dispersions-Elektrolyte (Diamant mit Silber), Gas in Wasser (Schaum), Aerosole (Rauch, Nebel) und Kolloide Lösungen (Nebel (Tröpfchen im Gas)) sind heterogene Stoffgemische.
Um die Verwirrung zu komplettieren, noch ein Beispiel: Messing ist ein homogenes, bleihaltiges Messing ein heterogenes Gemisch. Blei ist hier unlöslich und liegt in Form von elementaren Ausscheidungen in der Legierung vor.
Viele dieser Gemische lassen sich physikalisch trennen. Hierzu ein paar Beispiele:
Aggregatzustand fest-fest. Hier lassen sich die Stoffe durch Sieben, Sedimentieren, Magnetisch, Fraktionierende Kristallisation (bei Trennung von Legierungen) oder Extrahieren (heraus lösen) und Umkristallisieren trennen. Je nach physikalischer Eigenschaft der Stoffe wird ein entsprechendes Verfahren zur Trennung eingesetzt. Beim Sieben ist es die Teilchengröße, beim Sedimentieren die Dichte u.s.w.
Im Video zeige ich mehr Beispiele. An dieser Stelle sollten Sie pausieren und sich die Tabelle genauer anschauen. Man sieht, dass das Wissen um die physikalischen Eigenschaften, auch dem Aggregatzustand, dabei hilft, Stoffgemische zu trennen.
Eine Lösung ist ein homogenes System aus einem Lösungsmittel und einem darin gelösten, festen, flüssigen oder gasförmigen Stoff. Es können auch mehrere Stoffe im Lösungsmittel gelöst sein. Der Auflösungsprozess ist dabei ein physikalischer Vorgang. Das bedeutet, dass hierbei keine chemische Reaktion stattfindet, die Stoffe nach der Auflösung noch dieselben chemischen Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise wenn Kochsalz in Wasser aufgelöst wird. Auf diesen Vorgang gehen wir in späteren Folgen noch genauer ein.
In echten Lösungen lassen sich die gelösten Stoffe nicht durch Filtrieren oder durch Zentrifugieren vom Lösungsmittel trennen. Klare (und auch farbige) Lösungen sind homogen vermischt, sie haben eigene chemisch-physikalische Eigenschaften. Der Siedepunkt einer Lösung ist höher als der des reinen Lösungsmittels, der Gefrierpunkt ist niedriger als der des reinen Lösungsmittels. Beispielsweise hat Wasser einen Siedepunkt von 100°C und einen Gefrierpunkt von 0°C, eine gesättigte Kochsalzlösung einen Siedepunkt von 108°C und einen Gefrierpunkt von -21°C. Der Don-Juan-See in der Antarktis enthält hauptsächlich Calciumchlorid (CaCl2), sein Gefrierpunkt liegt bei -51,8 °C.
Die Auflösung eines Metalls in einer Säure ist kein Lösungsvorgang im eigentlichen Sinne, da hierbei eine chemische Reaktion auftritt.
Die Lösungen werden nach der Teilchengröße des gelösten Stoffes in Gruppen unterteilt.
Echte Lösungen sind molekulardisperse Systeme und haben eine Teilchengröße von < 0,001µm.
Kolloide Lösungen sind kolloiddisperse Systeme. Die Teilchengröße liegt bei 0,01µm bis 0,1µm.
Suspensionen sind grobdisperse Systeme. Die Teilchengröße beträgt 1µm bis 100µm, grobe Suspension bis 1mm.
Viele homogene Gemische lassen sich physikalisch nur schwer trennen. In diesem Fall kommen chemische und elektrochemische Verfahren zur Anwendung. Hierzu zwei Beispiele:
Im industriellen Abwasserbereich kann das Wasser mit Schwermetallen und anderen Stoffen verunreinigt sein. Die Metalle liegen in einer homogenen Lösung vor, beispielsweise als Nickelsulfat (NiSO4). Mit den bereits erwähnten physikalischen Trennverfahren gibt es keine Möglichkeit, das Nickel aus dem Wasser zu bekommen. Chemisch lässt sich das Gemisch aber umwandeln. Durch die Zugabe von Natronlauge (NaOH) wird aus dem Nickelsulfat Nickel(II)-hydroxid.
NiSO4 + 2NaOH → Ni(OH)2 + Na2SO4
Das Nickel(II)-hydroxid fällt aus. Aus einer homogenen Lösung wird eine heterogene Lösung, die sich anschließend filtrieren lässt.
Das zweite Beispiel betrifft das Recycling von Metallen. Nehmen wir hierfür Messing, einer Legierung aus Kupfer und Zink. Möchte man die beiden Metalle trennen, so könnte man sie vorerst in Chemie, beispielsweise in Schwefelsäure, auflösen. Anschließend wird mittels Elektrolyse zunächst das Kupfer und später das reine Zink aus der Lösung geholt. Den Vorgang nennt man Abscheidung bzw. Metallabscheidung.
In diesem Beispiel haben wir einen festen, homogenen Stoff in einen flüssigen, homogenen Stoff umgewandelt und anschließend mittels Elektrolyse in feste, aber getrennte Stoffe umgewandelt. Wie eine Elektrolyse im Detail funktioniert, kommt ebenfalls in einer späteren Folge.
Ein kleiner Ausblick: In der nächsten Folge geht es um das Atom und um Atommodelle. Anschließend schauen wir uns das Periodensystem genauer an. Ab dann haben Sie genug Basiswissen, um richtig tief in die Welt der Chemie eintauchen zu können.
