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In vielen Zusammenhängen werden die Begriffe „Phasen der Materie“ und „Materiezustände“ synonym verwendet, als ob sie synonym wären. Dasselbe kann in Bezug auf Phasenänderungen und Zustandsänderungen gesagt werden. Es gibt jedoch subtile Unterschiede, die diese Begriffe nicht genau gleich machen.
Als nächstes werden wir diese Unterschiede untersuchen, um zu lernen, klar zu unterscheiden, wann wir über Phasen und wann über Zustände der Materie sprechen.
Was sind die Aggregatzustände?
Die Zustände der Materie sind die verschiedenen Möglichkeiten, wie die Teilchen, aus denen sie bestehen, hinzugefügt oder miteinander verbunden werden können. Sie werden deshalb auch als Aggregatzustände der Materie bezeichnet . Diese Zustände werden im Wesentlichen basierend auf der Mobilität definiert, die ihre Partikel in der Struktur der Substanz aufweisen.
In diesem Sinne kann dieselbe Substanz im Allgemeinen die folgenden vier Aggregatzustände finden:
- Fester Zustand: dadurch gekennzeichnet, dass er aus Körpern mit definierter Form und definiertem Volumen besteht. Im festen Zustand sind alle Teilchen auf eine feste Position mit sehr geringer Bewegungsfreiheit beschränkt. Dies verleiht Festkörpern sowohl ein bestimmtes Volumen als auch eine bestimmte Form.
- Flüssiger Zustand: In Flüssigkeiten sind die Teilchen, aus denen eine Substanz besteht, sehr nahe beieinander, aber ihre Verbindung ist locker genug, damit die Teilchen relativ frei von einem Ort zum anderen fließen und gleiten können. Aus diesem Grund haben Flüssigkeiten ein definiertes Volumen, aber keine definierte Form und nehmen die Form des Behälters an, der sie enthält.
- Gasförmiger Zustand: In diesem Zustand sind die Teilchen im Wesentlichen voneinander getrennt und interagieren sehr wenig miteinander. Stoffe im gasförmigen Zustand zeichnen sich durch sehr geringe Dichten und durch keine definierte Form oder Volumen aus.
- Plasma: Ein Plasma ist eine gasförmige Mischung aus freien Elektronen und positiven Ionen (Kationen), die durch Erhitzen von Gasen auf sehr hohe Temperaturen gebildet werden. Diese Temperaturen sind so hoch, dass die Atome beim Zusammenstoß die Elektronen buchstäblich auseinander reißen. Die Materie der Sterne befindet sich in den meisten von ihnen im Plasmazustand.
Viele Substanzen können in jedem dieser Zustände existieren, während andere dies nicht können. Wasser ist das typische Beispiel für einen Stoff, den wir unter relativ normalen Bedingungen in festem, flüssigem und gasförmigem Zustand finden können, sogar gleichzeitig. Auf der anderen Seite kann Saccharose oder gewöhnlicher Haushaltszucker in festem Zustand vorliegen (wie wir ihn normalerweise vorfinden), und wir können ihn auch schmelzen und so zu einer Flüssigkeit werden, wie wenn wir Karamell herstellen. Wenn wir jedoch die geschmolzene Saccharose weiter erhitzen, zersetzt sie sich normalerweise oder verkohlt, bevor sie in einen gasförmigen Zustand übergeht, anstatt in einen gasförmigen Zustand überzugehen.
Zusätzlich zu diesen üblichen Zuständen gibt es andere, weniger häufige Zustände, die nur unter sehr extremen Temperatur- und Druckbedingungen existieren. Da ist zum Beispiel das Bose-Einstein-Kondensat , das sich nur bei extrem niedrigen Temperaturen, sehr nahe am absoluten Nullpunkt, bildet; der entartete Zustand der Materie , der unter Bedingungen extrem hoher Dichte existiert, wie in Neutronensternen, die sich bilden, nachdem ein Stern stirbt, und Quark-Gluon-Plasmen , die sich nur unter extrem hohen Energiebedingungen bilden.
Faktoren, die den Aggregatzustand beeinflussen
Ob eine bestimmte Substanz in Form eines Feststoffs, einer Flüssigkeit oder eines Gases vorliegt, hängt von einem Wettbewerb zwischen Kräften ab, die versuchen, ihre Teilchen zusammenzuhalten, und den Kräften, die dazu neigen, sie zu trennen. Die Wechselwirkungskräfte, die zwischen seinen Partikeln bestehen, oder Kohäsionskräfte, neigen dazu, die Partikel zu vereinen, während thermische Vibrationen dazu neigen, sie zu trennen. Andererseits neigt hoher Druck dazu, die Partikel näher zusammenzubringen, was die Wechselwirkung zwischen den Partikeln erleichtert und dazu neigt, sie zu kondensieren.
Was sind die Phasen der Materie?
Das Konzept der Phase unterscheidet sich von dem des Zustands. In Physik und Chemie bezieht sich eine Materiephase auf einen Teil der Materie oder auf eine Zone oder Region innerhalb eines Systems, in der die physikalischen und chemischen Eigenschaften einheitlich oder homogen sind.
Dies mag wie ein dem Zustand ähnlicher Begriff erscheinen, da es Fälle gibt, in denen ein Stoff in einem physikalischen Zustand auch in Form einer einzelnen Phase vorliegt. Dies geschieht beispielsweise bei Wasser. Wasser im gasförmigen Zustand, also Wasserdampf, ist gleichzeitig eine Phase, da Wasserdampf im Wesentlichen homogen ist. Dasselbe gilt für flüssiges Wasser und Eis. In diesen Fällen ist die Rede von der gasförmigen Phase von Wasser im Grunde dasselbe wie die Rede von Wasser im gasförmigen Zustand.
Es gibt jedoch andere Substanzen, die trotz des gleichen Zustands in unterschiedlichen Formen existieren können. Ein Beispiel ist Siliziumoxid oder Kieselsäure, die in verschiedenen Phasen vorliegen können, alle im festen Zustand. Je nach Temperatur- und Druckbedingungen kann Kieselsäure als Quarz-a, Quarz-β, Cristobalit, Tridymit, Coesit und mehr vorliegen. Jede dieser Phasen befindet sich alle in einem festen Zustand und jede von ihnen hat eine bestimmte Struktur und physikalisch-chemische Eigenschaften , die sich von den anderen unterscheiden.
Phasen in Mehrkomponentensystemen
Bei reinen Stoffen oder Systemen aus einer einzigen Komponente sind die Phasen und Aggregatzustände leicht nachzuvollziehen. Wenn wir jedoch verschiedene Komponenten mischen, um binäre, ternäre und komplexere Systeme zu bilden, können unerwartete Verhaltensweisen der Materie auftreten.
In diesen Fällen können je nach Zusammensetzung des Systems und den Anteilen, in denen die verschiedenen Komponenten vorkommen, eine Vielzahl unterschiedlicher Phasen gebildet werden. Legierungen sind klare Beispiele für diese komplexen Systeme, in denen wir radikal unterschiedliche Eigenschaften erzielen können, indem wir Metalle miteinander mischen.
Das Phasenkonzept ist auch sehr nützlich, um Mischungen aus nicht mischbaren Flüssigkeiten wie Öl und Wasser zu beschreiben. Obwohl sich das System als Ganzes in einem flüssigen Zustand befindet, ist es offensichtlich, dass es zwei unterschiedliche Phasen gibt, von denen eine durch das oben auf der wässrigen Phase schwimmende Öl gebildet wird. Beachten Sie, dass es in diesem Fall keinen Sinn macht, von einem öligen oder organischen „Zustand“ und einem wässrigen „Zustand“ zu sprechen, aber es macht Sinn, von einer öligen oder organischen Phase und einer wässrigen Phase zu sprechen.
Zusammenfassung der Unterschiede zwischen Zustand und Phase der Materie
Die Zustände der Materie werden basierend auf der Beweglichkeit der Teilchen definiert, aus denen sie besteht. Stattdessen werden die Phasen der Materie über die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Materie definiert, und es können mehrere verschiedene Phasen mit der gleichen Zusammensetzung und im gleichen Aggregatzustand gefunden werden, die jedoch unterschiedliche Eigenschaften haben.
Andererseits können die Aggregatzustände fest, flüssig, gasförmig und Plasma sowie andere exotischere Zustände sein, die unter extremen Bedingungen existieren. Andererseits können mehrere flüssige und gasförmige Phasen und mehrere feste Phasen in demselben System koexistieren. Dies weist darauf hin, dass der Begriff des Zustands der Materie ein allgemeinerer oder weniger spezifischer Begriff ist als der Begriff der Phase der Materie.
Verweise
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