Grundlagen der Physik und Chemie: Materie, Gesetze und Elemente

Physikalische Grundlagen: Gase und Druck

Gase und Druck

Atmosphärischer Druck

Der Druck, der von der Atmosphäre aufgrund ihres Gewichts auf die Oberfläche der Körper ausgeübt wird, die mit ihr in Kontakt stehen.

Boylesches Gesetz

Bei konstanter Temperatur ist das Volumen einer bestimmten Gasmasse umgekehrt proportional zum Druck. Formel: p₁ · V₁ = p₂ · V₂.

Erstes Gesetz von Gay-Lussac

Wenn der Druck konstant bleibt, ist das Volumen einer festen Gasmasse direkt proportional zur absoluten Temperatur.

Wärmeausdehnung (Thermische Dilatation)

Die Zunahme des Volumens eines Körpers bei steigender Temperatur wird als Wärmeausdehnung (oder thermische Dilatation) bezeichnet.

Zweites Gesetz von Gay-Lussac

Wenn das Volumen einer festen Gasmasse konstant bleibt, ist der Druck direkt proportional zur absoluten Temperatur.

Kinetische Theorie der Materie

Kinetisches Modell der Gase

Gase bestehen aus einer großen Zahl sehr kleiner Partikel, deren Abstand im Vergleich zu ihrer Größe sehr groß ist. Zwischen den Partikeln befindet sich leerer Raum. Diese Teilchen bewegen sich ständig und ungeordnet. Bei ihrer Bewegung stoßen die Partikel sowohl aufeinander als auch gegen die Wände des Gasbehälters. Die Geschwindigkeit der Gaspartikel nimmt mit steigender Temperatur zu und mit sinkender Temperatur ab.

Kinetische Theorie der Materie: Festkörper

Ein Festkörper, wie zum Beispiel Salz, hat ein festes Volumen, da die Partikel durch starke Anziehungskräfte zusammengehalten werden. Die Partikel können um ihre festen Positionen schwingen, aber ihre Position nicht ändern.

Kinetische Theorie der Materie: Flüssigkeiten

Flüssigkeiten, wie Wasser, haben ein festes Volumen, können aber fließen und jede Form annehmen. Dies liegt daran, dass ihre Partikel zwar aneinander gebunden sind, die Anziehungskräfte zwischen ihnen jedoch schwächer sind als bei Festkörpern.

Stoffkunde: Eigenschaften und Zustandsänderungen

Zustandsänderungen der Materie

• Der Übergang von fest zu flüssig wird als Schmelzen (Fusion) bezeichnet, der umgekehrte Vorgang als Erstarren.
• Der Übergang von flüssig zu gasförmig wird als Verdampfen bezeichnet, der umgekehrte Vorgang als Kondensieren.
• Der Übergang von fest zu gasförmig wird als Sublimieren bezeichnet, der umgekehrte Vorgang als Resublimieren (oder Deposition).

Die Temperatur bleibt während einer Zustandsänderung konstant. Die Temperatur, bei der ein Feststoff schmilzt, wird als Schmelzpunkt bezeichnet, und die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit siedet, als Siedepunkt.

Klassifizierung von Stoffen

Metalle

• Besitzen metallischen Glanz.
• Sind undurchsichtig.
• Sind gute Leiter für Wärme und elektrischen Strom.
• Sind formbar und dehnbar.
• Sind mit Ausnahme von Quecksilber bei Raumtemperatur fest.

Nichtmetalle

• Besitzen keinen metallischen Glanz.
• Sind schlechte Leiter für Wärme und elektrischen Strom.
• Können bei Raumtemperatur fest, flüssig oder gasförmig sein.
• Sind im festen Zustand oft sehr spröde.
• Haben im festen Zustand niedrige Schmelzpunkte und im flüssigen Zustand niedrige Siedepunkte.

Mendelejew und das Periodensystem

Dmitri Mendelejew suchte ein Kriterium zur Klassifizierung der damals bekannten 63 Elemente, basierend auf ähnlichen Eigenschaften. Das moderne Periodensystem der Elemente ist von links nach rechts und von oben nach unten nach aufsteigender Ordnungszahl sortiert. Es ist in 18 Gruppen (Spalten) und 7 Perioden (Zeilen) organisiert.

Chemie des Lebens: Atome und Elemente

Grundlagen der chemischen Zusammensetzung

Gruppierung von Atomen in Materie

• Elemente: Bestehen aus Atomen derselben Art. Sie können als isolierte Atome oder in Molekülen vorliegen.
• Verbindungen: Bestehen aus verschiedenen Arten von Atomen (verschiedenen Elementen), die chemisch zu Aggregationen oder großen Molekülen verbunden sind.

Relative Molekülmasse

Die relative Molekülmasse eines Elements oder einer Verbindung ist gleich der Summe der relativen Atommassen aller Atome, die in der chemischen Formel erscheinen.

Wichtige Elemente im menschlichen Körper

Zink

Etwa 90% dieses Elements konzentrieren sich in Knochen- und Muskelgewebe; der Rest findet sich in Haut, Leber und Bauchspeicheldrüse. Die tägliche Zinkzufuhr erfolgt über Fleisch, Fisch und Meeresfrüchte. Ein Erwachsener benötigt eine Tagesdosis von 10-15 mg Zink, das Wachstum und Zellvermehrung beeinflusst.

Phosphor

Etwa 85% des Phosphors sind in den Knochen an Kalzium gebunden; der Rest ist an der Regulation des Gleichgewichts in den Zellmembranen beteiligt. Phosphor ist reichlich in Fisch, Fleisch und Hülsenfrüchten vorhanden. Ein Mangel an diesem Element tritt selten auf, meist nur bei extremer Mangelernährung.

Kalzium

Kalzium macht etwa 2% des gesamten Körpergewichts aus und ist an der Muskelkontraktion sowie der Nervenleitung beteiligt. Die wichtigsten Kalziumquellen sind Milch und Milchprodukte, Gemüse und Fisch. Die tägliche Kalziumzufuhr sollte etwa 1000 mg betragen.