Grundlagen der Chemie und Physik: Materie und Stoffe

Definition der Chemie

Die Chemie ist die Wissenschaft von den chemischen Phänomenen und der inneren Struktur der Materie.

Definition der Physik

Die Physik ist die Wissenschaft von den physikalischen Erscheinungen.

Physikalische und chemische Phänomene

Physikalische Phänomene beeinflussen einige Eigenschaften von Stoffen, ohne dass eine Umwandlung in neue Stoffe stattfindet. Chemische Phänomene hingegen erzeugen neue Stoffe, während andere verschwinden.

Definition der Materie

Wir können sagen, dass Materie alles ist, was eine Masse besitzt und ein Volumen einnimmt.

Definitionen von Masse und Volumen

Maßeinheiten im SI-System

Die Masse ist die Menge an Materie, die ein Körper besitzt. Ihre Maßeinheit im SI ist das Kilogramm (kg).

Das Volumen ist der Anteil des Raums, den ein Körper einnimmt. Seine Maßeinheit ist der m³.

Eigenschaften eines Materials

Allgemeine und spezifische Eigenschaften

Allgemeine Eigenschaften sind solche, die allen Körpern eigen sind und daher nicht dazu dienen, sie zu charakterisieren. Beispiele: Masse, Volumen, ...

Spezifische Eigenschaften sind Merkmale, die dazu verwendet werden, einen Stoff zu bestimmen oder zu identifizieren. Beispiele: Dichte, Schmelzpunkt, ...

Definition der Dichte

Maßeinheiten im SI und weitere Einheiten

Wir definieren die Dichte als das Verhältnis der Masse zum entsprechenden Volumen:

d =

Die Maßeinheit im SI ist kg/m³. Weitere gebräuchliche Einheiten sind g/cm³, kg/l, etc.

Die Dichte ist eine spezifische Eigenschaft von Stoffen. Es gibt Tabellen, in denen die unterschiedlichen Dichten der Stoffe aufgeführt sind.

Aggregatzustände der Stoffe

Ein Blick in unsere Umgebung zeigt, dass Materie in drei verschiedenen Aggregatzuständen vorkommen kann:

Progressive Zustandsänderungen

• Schmelzen (Fusion): Der Übergang von fest zu flüssig. Der Schmelzpunkt ist eine charakteristische Eigenschaft von Stoffen und dient zu deren Identifizierung. Die Schmelztemperatur variiert mit dem Druck; sinkt der Druck, nimmt die Schmelztemperatur ab.
• Verdampfung: Der Übergang von flüssig zu gasförmig. Dies findet bei jeder Temperatur an der freien Flüssigkeitsoberfläche statt. Wenn wir jedoch die Temperatur erhöhen, erreicht die Flüssigkeit einen Punkt, an dem die Verdunstung im Inneren der Flüssigkeit erfolgt und große Blasen bildet. Wir sagen, dass die Flüssigkeit zu sieden oder zu kochen beginnt. Die Temperatur, bei der dies geschieht, heißt Siedepunkt. Er variiert mit dem Druck; sinkt der Druck, sinkt auch die Siedetemperatur.
• Sublimation: Die direkte Umwandlung von fest in gasförmig, ohne den flüssigen Zustand zu durchlaufen. Wie die Verdampfung erfolgt sie bei jeder Temperatur (weshalb wir Feststoffe riechen können). Bei den meisten Stoffen muss jedoch ein sehr niedriger Druck herrschen, damit die Sublimation signifikant ist.

Regressive Zustandsänderungen

• Erstarrung: Der Übergang von flüssig zu fest. Er tritt bei der gleichen Temperatur wie das Schmelzen auf und variiert mit dem Druck.
• Kondensation: Der Übergang von gasförmig zu flüssig.
• Resublimation: Auch als inverse Sublimation oder Ablagerung bezeichnet. Der direkte Übergang von gasförmig zu fest, ohne den flüssigen Zustand zu durchlaufen.

Die zwei Formen der Verdampfung

Verdunstung: Der Übergang einer Flüssigkeit in den dampfförmigen Zustand, der nur an der Oberfläche und bei jeder Temperatur stattfindet. Die Verdunstung ist umso stärker, je größer die Kontaktfläche mit der Luft und je höher die Temperatur des Mediums ist.

Sieden: Dies geschieht, wenn einer Flüssigkeit genug Wärme zugeführt wird, sodass sie kocht. In diesem Fall tritt der Übergang in den dampfförmigen Zustand in der gesamten Masse der Flüssigkeit auf und nicht nur an der Oberfläche.

Siedepunkt und Zustandsänderungstemperatur

Der Siedepunkt eines Stoffes ist die Temperatur, bei der ein Stoff bei einem Druck von 1 Atmosphäre den Zustand ändert; er ist eine charakteristische Eigenschaft.

Die Zustandsänderungstemperatur ist die Temperatur, bei der ein Stoff den Zustand tatsächlich ändert. Diese kann mit dem Druck variieren und ist keine feste charakteristische Eigenschaft.

Zum Beispiel hat Wasser einen Normalsiedepunkt von 100 °C (bei 1 atm). Auf einem Berg, wo der Druck geringer ist, siedet Wasser jedoch bei einer niedrigeren Temperatur.

Molekulare Kinetische Theorie

Warum ist Wasser bei Raumtemperatur und 1 atm Druck flüssig, Eisen fest und Sauerstoff gasförmig? Die Antwort liegt in der inneren Struktur der Materie.

Alle Materie besteht aus winzigen Teilchen, die Atome genannt werden. Diese können sich zu Ionen oder Molekülen verbinden. Die Anziehungskräfte, genannt Kohäsionskräfte, halten die Teilchen zusammen und bestimmen den Aggregatzustand sowie die Merkmale des Stoffes.

Die molekulare kinetische Theorie wurde 1857 von Clausius entwickelt, um das Verhalten von Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern zu erklären:

Gase

• Gase bestehen aus sehr kleinen Teilchen, die weit voneinander entfernt sind. Das Eigenvolumen der Teilchen ist vernachlässigbar.
• Die Partikel bewegen sich geradlinig und zufällig und kollidieren miteinander sowie mit den Gefäßwänden. Die Geschwindigkeit hängt von der Temperatur ab.
• Anziehungs- und Abstoßungskräfte sind vernachlässigbar.

Feststoffe

• Feststoffe bestehen aus Teilchen mit sehr starken Anziehungskräften. Sie können sich nicht frei bewegen, sondern schwingen nur um ihre festen Positionen.

Flüssigkeiten

• In Flüssigkeiten sind die Anziehungskräfte schwächer als in Festkörpern. Die Teilchen können sich bewegen, aber ihren Abstand zueinander kaum verändern.

Unterschiede zwischen Reinstoffen und Gemischen

• Reinstoffe haben charakteristische, konstante Eigenschaften, Gemische hingegen nicht.
• Bei Reinstoffen bleibt die Temperatur während des Schmelzens oder Siedens konstant. Bei Gemischen variiert sie.
• Die Komponenten eines Reinstoffes können nur durch chemische Prozesse getrennt werden. Gemische lassen sich durch physikalische oder mechanische Verfahren trennen.
• In Gemischen ist das Mischungsverhältnis variabel. Reinstoffe (Verbindungen) bestehen aus Elementen in festen Proportionen.
• In Gemischen behalten die Stoffe ihre Eigenschaften bei. In einer chemischen Verbindung verlieren die Ausgangsstoffe ihre ursprünglichen Eigenschaften.

Trennung von Gemischen

Die gebräuchlichsten Verfahren zur Trennung von homogenen und heterogenen Gemischen sind:

• Zentrifugation: Trennt Feststoffe von Flüssigkeiten basierend auf unterschiedlichen Dichten durch Rotation.
• Filtern: Trennt Feststoffe von Flüssigkeiten aufgrund unterschiedlicher Partikelgrößen.
• Dekantieren: Trennt einen Feststoff von einer Flüssigkeit nach dem Absetzen oder trennt zwei nicht mischbare Flüssigkeiten mittels eines Scheidetrichters.
• Chromatographie: Trennung der Komponenten einer Mischung basierend auf der unterschiedlichen Wanderungsgeschwindigkeit der Teilchen auf einer Oberfläche.
• Kristallisation: Trennung eines gelösten Feststoffs aus einer Flüssigkeit durch Verdampfen des Lösungsmittels.
• Destillation: Trennung mischbarer Flüssigkeiten oder eines gelösten Feststoffs basierend auf unterschiedlichen Siedepunkten.

Klassifizierung von Lösungen

Lösungen können nach ihrer Konzentration eingeteilt werden:

• Verdünnt: Wenn im Vergleich zur maximal löslichen Menge nur wenig gelöster Stoff enthalten ist.
• Konzentriert: Wenn eine große Menge an gelöstem Stoff enthalten ist.
• Gesättigt: Wenn die maximal mögliche Menge an Stoff gelöst ist.

Berechnung der Konzentration

Einige Ausdrucksformen für die Konzentration einer Lösung sind:

Konzentration =

Weitere Maße sind Molarität, Molalität, Normalität, etc.