Grundlagen der Chemie: Materie, Atome und Phasenübergänge

Grundlagen der Chemie: Materie und ihre Zustände

Reine Stoffe und Gemische

Reine Stoffe

Reine Stoffe bestehen aus nur einer Art von Teilchen und haben eine einheitliche Zusammensetzung. Sie können nicht durch einfache physikalische Methoden in andere Stoffe zerlegt werden. Ihre Atome sind identisch (Beispiele: Eisen, Gold, Kupfer, Chlor).

Verbindungen

Verbindungen sind Stoffe, die durch die chemische Vereinigung von zwei oder mehr chemischen Elementen in einem festen Verhältnis gebildet werden. Sie können durch chemische Methoden in ihre Elemente zerlegt werden (Beispiele: Wasser, Natriumchlorid (Kochsalz)).

Heterogene Gemische

Heterogene Gemische bestehen aus mehreren Stoffen, deren Bestandteile in ihrer Struktur, Zusammensetzung und ihren Eigenschaften variieren und nicht gleichmäßig verteilt sind. Die einzelnen Komponenten sind oft mit bloßem Auge oder unter dem Mikroskop erkennbar.

Homogene Gemische

Homogene Gemische sind Stoffgemische, deren Bestandteile auf molekularer Ebene so fein verteilt sind, dass sie mit bloßem Auge nicht unterscheidbar sind und das Gemisch über seine gesamte Ausdehnung die gleichen Eigenschaften aufweist.

Typen homogener Gemische (Lösungen)

• Fest in Fest: Legierungen wie Bronze.
• Fest in Flüssig: Salz in Wasser.
• Flüssig in Flüssig: Wasser und Alkohol.
• Gas in Flüssig: Sauerstoff in Wasser, Kohlendioxid in Wasser (Sprudel).
• Gas in Gas: Ein Gemisch aus verschiedenen Gasen, wie z.B. Luft.

Phasenübergänge der Materie

Definition Phasenübergänge

Phasenübergänge sind Prozesse, bei denen ein Stoff durch Zufuhr oder Entzug von Wärme von einem Aggregatzustand in einen anderen übergeht.

Schmelzen (Fusion)

Schmelzen (oder Fusion) ist der Übergang eines Stoffes vom festen in den flüssigen Zustand durch Wärmezufuhr.

Erstarren (Solidifikation)

Das Erstarren (oder Solidifikation) ist der Übergang einer Flüssigkeit in den festen Zustand durch Abkühlung (z.B. Einfrieren von Wasser).

Verdunstung

Die Verdunstung ist der Übergang von Flüssigkeit zu Dampf, der an der Oberfläche einer Flüssigkeit bei jeder Temperatur stattfindet.

Sieden (Kochen)

Das Sieden (oder Kochen) tritt auf, wenn einer Flüssigkeit ausreichend Wärme zugeführt wird, sodass ihre Temperatur steigt, bis sie ihren Siedepunkt erreicht und vollständig in den gasförmigen Zustand übergeht.

Kondensation und Verflüssigung

Die Kondensation (oder Verflüssigung) ist der Prozess, bei dem ein Gas durch Abkühlung in den flüssigen Zustand übergeht.

Sublimation

Die Sublimation ist der direkte Übergang eines Stoffes vom festen in den gasförmigen Zustand, ohne die flüssige Phase zu durchlaufen (Beispiele: Mottenkugeln, Trockeneis).

Resublimation (Deposition)

Die Resublimation, auch als umgekehrte Sublimation oder Deposition bekannt, beschreibt den direkten Übergang eines Stoffes vom gasförmigen in den festen Zustand, ohne die flüssige Phase zu durchlaufen (z.B. die Bildung von Raureif).

Das Atom: Modelle und Bausteine

Historische Atommodelle

John Daltons Atomtheorie (1803)

John Dalton postulierte 1803, dass Materie aus winzigen, unteilbaren Teilchen, den Atomen, besteht. Atome können weder erzeugt noch zerstört werden. Bei chemischen Reaktionen werden Atome lediglich neu angeordnet. Atome desselben chemischen Elements sind identisch, während Atome verschiedener chemischer Elemente unterschiedliche Eigenschaften besitzen. Atome verschiedener Elemente können sich zu Verbindungen zusammenschließen, die durch einfache Zahlenverhältnisse gekennzeichnet sind.

Rutherfords Atommodell

Ernest Rutherford stellte fest, dass das Atom praktisch aus einem sehr kleinen, positiv geladenen Atomkern besteht, der im Vergleich zum Rest des Atoms winzig ist und fast die gesamte Masse des Atoms konzentriert. Die Atomhülle, die fast das gesamte Atomvolumen einnimmt, enthält negativ geladene Elektronen, die den Kern auf Kreisbahnen umkreisen.

Subatomare Teilchen

Elektron

Das Elektron ist ein negativ geladenes subatomares Teilchen, dessen absolute Ladung dem des Protons entspricht.

Proton

Das Proton ist ein positiv geladenes subatomares Teilchen, dessen absolute Ladung der des Elektrons entspricht.

Neutron

Das Neutron ist ein subatomares Teilchen ohne elektrische Ladung. Die Masse eines Protons ist nahezu gleich der Masse eines Neutrons.

Atomare Kennzahlen

Ordnungszahl (Z)

Die Ordnungszahl (Z) gibt die Anzahl der Protonen im Atomkern an. Bei einem neutralen Atom entspricht sie auch der Anzahl der Elektronen. Jedes chemische Element ist durch seine spezifische Ordnungszahl definiert.

Massenzahl (A)

Die Massenzahl (A) ist die Summe der Protonen und Neutronen im Atomkern.

Isotope

Isotope sind Atome desselben chemischen Elements, die dieselbe Ordnungszahl, aber eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen und somit eine unterschiedliche Massenzahl aufweisen.

Atommasse eines Elements

Die Atommasse eines Elements ist die durchschnittliche Masse der Isotope dieses Elements, unter Berücksichtigung ihrer relativen Häufigkeit in der Natur. Sie wird als gewichteter Durchschnitt der Isotopenmassen berechnet.