Aggregatzustände, Lösungen und Konzentrationen: Grundlagen der Chemie

Aggregatzustände und Zustandsänderungen

Bei einer Zustandsänderung geht ein Stoff von einem Aggregatzustand in einen anderen über. Die Temperatur bleibt dabei konstant.

Feste Stoffe → (Schmelzen) → Flüssigkeiten → (Verdampfen) → Gase
Gase → (Kondensation) → Flüssigkeiten → (Erstarren) → feste Stoffe

Die Sublimation ist der direkte Übergang vom festen in den gasförmigen Zustand, ohne den flüssigen Zustand zu durchlaufen. Der umgekehrte Vorgang heißt Resublimation bzw. Kristallisation aus dem Gas.

Gesetze der Erstarrung und des Schmelzens

Erstarrungs- und Schmelzgesetze reiner Stoffe:

• a) Ein reiner Stoff schmilzt bzw. erstarrt bei einer bestimmten Temperatur, der sogenannten Schmelztemperatur.
• b) Solange der Stoff schmilzt bzw. erstarrt, bleibt die Temperatur konstant.
• c) Flüssigkeiten kühlen so lange ab, bis sie bei der Erstarrungstemperatur erstarren.
• d) Solange der Stoff erstarrt, bleibt die Erstarrungstemperatur unverändert.

Die Schmelz- und Erstarrungstemperatur eines reinen Stoffes sind identisch. Ein Stoff, dessen Temperatur sich während der Zustandsänderung verändert, ist kein reiner Stoff, sondern ein Gemisch.

Verdampfung und Verdunstung

Der Übergang von der Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand heißt Verdampfung. Man unterscheidet Verdunstung (an der Oberfläche) und Sieden (im gesamten Volumen).

Die Geschwindigkeit der Verdunstung hängt von folgenden Faktoren ab: der Art der Flüssigkeit, der freien Oberfläche und der Belüftung bzw. Temperatur.

Siedegesetze reiner Stoffe

• a) Jede reine Flüssigkeit siedet bei einem festen Druck und einer bestimmten Temperatur, der sogenannten Siedetemperatur.
• b) Solange die Flüssigkeit siedet, bleibt die Temperatur konstant.

Eine Verringerung des Drucks senkt den Siedepunkt einer Flüssigkeit. Eine Erhöhung des Drucks erhöht die Siedetemperatur. Der Siedepunkt einer Flüssigkeit ist definiert als die Temperatur, bei der sie siedet, wenn der Druck 1.013 hPa beträgt. Der Siedepunkt eines reinen Stoffes ist eine charakteristische Eigenschaft, mit der er identifiziert werden kann.

Sublimation und Kristallisation

• Sublimation: direkter Übergang vom festen in den gasförmigen Zustand.
• Kristallisation: Übergang vom Gas in den festen Zustand.

Kinetisch-molekulare Theorie und Energie

Nach der kinetisch-molekularen Theorie wird beim Schmelzen eines reinen festen Stoffes die gesamte zugeführte Energie genutzt, um die Moleküle vom festen in den flüssigen Zustand zu überführen. Diese Energie heißt latente Schmelzwärme. Sie führt nicht zu einer Temperaturerhöhung, sondern ermöglicht die Zustandsänderung.

Ebenso wird bei einer reinen Flüssigkeit beim Sieden die gesamte zugeführte Energie als Wärme genutzt, um die Moleküle in den gasförmigen Zustand zu überführen.

Homogene und heterogene Stoffgemische

Homogenes Gemisch: Ein Stoffgemisch, dessen Eigenschaften und Zusammensetzung an allen Punkten der Masse gleich sind (z. B. Salzwasser).

Heterogenes Gemisch: Ein Stoffgemisch, bei dem man verschiedene Bestandteile erkennen kann (z. B. Salz und Sand oder Granit).

Lösungen

Eine Lösung ist ein homogenes Gemisch, dessen Zusammensetzung variabel ist. Es besteht aus mindestens zwei Komponenten. Den Vorgang nennt man Auflösen. Beispiel: Zucker in Wasser ergibt eine Zuckerlösung.

• Gelöster Stoff (Solut): Der Stoff, der in einem anderen verteilt oder dispergiert ist.
• Lösungsmittel: Der Stoff, in dem der gelöste Stoff verteilt ist (z. B. Wasser oder Alkohol).

Beispiele für Lösungen

Gasförmige Lösungen (Luft): Sauerstoff, Distickstoffmonoxid, Kohlendioxid, Argon, Wasserdampf.

Weitere Beispiele:

• A) Gas in einer Flüssigkeit gelöst: alle kohlensäurehaltigen Getränke.
• B) Flüssigkeit in einer anderen Flüssigkeit gelöst: Benzin.
• C) Feststoff in einer Flüssigkeit gelöst: Salz in Wasser.

Feste Lösungen: Legierungen wie Messing oder Silber (Amalgam).

Wässrige Lösungen sind Lösungen, bei denen Wasser das Lösungsmittel ist.

Konzentration von Lösungen

Verdünnt: Die Menge des gelösten Stoffes ist im Vergleich zum Lösungsmittel gering.

Konzentriert: Das Lösungsmittel enthält im Vergleich zum gelösten Stoff nur wenig Lösungsmittel.

A) Massenprozent: Der Massenanteil gibt an, wie viele Gramm gelösten Stoffes in 100 g Lösung enthalten sind.

Massenprozent der gelösten Substanz = Masse des gelösten Stoffes × 100 / Masse der Lösung

B) Massenkonzentration: Nach IUPAC wird empfohlen, die Masse des gelösten Stoffes pro Volumeneinheit der Lösung anzugeben.

Massenkonzentration = Gramm gelöster Stoff / Liter Lösung

Löslichkeit

• Löslich: Stoffe, die sich in einem Lösungsmittel wie Wasser gut auflösen (z. B. Natriumchlorid, Silbernitrat).
• Unlöslich: Stoffe, die sich nur in sehr geringen Mengen im Lösungsmittel auflösen.
• Mischbar: Zwei Flüssigkeiten lösen sich vollständig ineinander (z. B. Wasser und Alkohol, Essig und Wasser).
• Nicht mischbar: Zwei Flüssigkeiten lösen sich nicht ineinander (z. B. Öl und Wasser, Gas und Wasser).

Gesättigte Lösungen

Eine gesättigte Lösung erkennt man daran, dass sich trotz Rühren weiterer fester Stoff nicht mehr löst, da er bereits im Lösungsmittel vollständig gelöst ist.