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Lexikon der Chemie: Aggregatzustand

Aggregatzustand, Erscheinungs- oder Zustandsform der Materie. Nach dem Ordnungsgrad der einen Stoff bildenden Teilchen (Atome, Ionen oder Moleküle), ihrer Wechselwirkung und ihrer Beweglichkeit gegeneinander unterscheidet man die drei (klassischen) A. fest, flüssig und gasförmig. Als vierter A. wird oft das Plasma bezeichnet. Welcher A. von den Stoffen eingenommen wird, hängt sowohl von der Stärke der Anziehungskräfte zwischen den Teilchen ab als auch vom Ausmaß ihrer Wärmebewegung, die den Anziehungskräften entgegengerichtet ist.

Festkörper. Hier ist der Ordnungsgrad am höchsten. Im Grenzzustand des idealen Festkörpers sind allein die Wechselwirkungskräfte zwischen den Teilchen wirksam, die Teilchen besitzen keinerlei Bewegungsenergie. Sie sind in einem dreidimensionalen Raumgitter völlig regelmäßig angeordnet, die Lage eines beliebigen Teilchens ist durch die seiner Nachbarn eindeutig bestimmt, es herrscht eine strenge Fernordnung (Kristall). Dieser Zustand wird am besten bei tiefen Temperaturen und hohen Drücken, aber auch unter diesen Bedingungen nur annähernd erreicht. Die Teilchen besitzen selbst am absoluten Nullpunkt noch eine bestimmte Nullpunktsenergie und führen um ihre Gleichgewichtslagen Schwingungen aus, die bei Temperaturerhöhung beträchtlich zunehmen. Außerdem treten bei den realen Festkörpern, mit denen man es praktisch immer zu tun hat, stets Störungen in der regelmäßigen Anordnung der Teilchen auf. Das Modell des perfekten Festkörpers, das keine derartigen strukturellen oder chem. Kristallbaufehler zuläßt, wohl aber die thermischen Schwingungen der Teilchen berücksichtigt, kann man heute mit den modernen Methoden der Kristallzüchtung im Einzelfall bereits in guter Näherung realisieren. Feststoffe ohne strukturelle Fernordnung bezeichnet man als amorph, sie stellen jedoch nach ihrem Vorkommen in der Natur gegenüber den kristallinen Feststoffen eine verschwindende Minderheit dar. Festkörper sind aufgrund der Lagefixierung ihrer Bausteine und der starken Wechselwirkung zwischen ihnen weitgehend form- und volumenbeständig. Diese Eigenschaft bildet die Grundlage für ihre überragende Bedeutung als Werkstoffe auf den verschiedensten Gebieten der Technik.

Gase. Dieser A. hat den niedrigsten Ordnungsgrad. Die Gasteilchen sind im Verhältnis zu ihrer eigenen Größe im Mittel sehr weit voneinander entfernt und in andauernder, sich durch Stöße untereinander oder mit der Gefäßwand in Geschwindigkeit und Richtung ständig ändernder Bewegung (kinetische Gastheorie). Im Grenzzustand des idealen Gases, der in guter Näherung bei hoher Temperatur und niedrigem Druck erreicht wird, üben die Teilchen keinerlei Wechselwirkung aufeinander aus und bewegen sich völlig regellos mit großer Geschwindigkeit im Raum, außerdem ist ihr Eigenvolumen gegenüber dem zur Verfügung stehenden Gesamtvolumen so klein, daß es vernachlässigt werden kann. Alle realen Gase zeigen mehr oder weniger starke Abweichungen von diesem Idealzustand extremer Unordnung. Gase füllen jedes verfügbare Volumen aus, sie sind völlig formveränderlich und in beliebigem Verhältnis mischbar.

Flüssigkeiten. Sie nehmen eine Mittelstellung zwischen den Festkörpern und den Gasen ein und zeigen eine ausgeprägte Nahordnung, d. h. eine gewisse Regelmäßigkeit bezüglich Orientierung und Abstand der unmittelbaren Nachbarn für jedes Teilchen zu jedem Zeitpunkt, die der Ordnung in einem Kristallgitter nahekommt. Infolge der ständigen Wärmebewegung der Teilchen ist diese Ordnung aber schon bei den übernächsten Nachbarn wesentlich geringer ausgeprägt und nach wenigen Teilchendurchmessern gar nicht mehr erkennbar. Die Nahordnung hat dynamischen Charakter und ist nicht nur örtlich, sondern auch zeitlich begrenzt. Infolge der unregelmäßigen Teilchenbewegung sind die geordneten Mikrobereiche in ständigem Auf- und Abbau begriffen, jedes Teilchen ändert sowohl im Raum als auch gegenüber seinen Nachbarn dauernd seine Lage. Durch ihre Mittelstellung zwischen Gasen und Festkörpern und die sich daraus ergebende Überlagerung von wesentlichen Eigenschaften der beiden angrenzenden A. gibt es bisher für die Flüssigkeiten noch keine geschlossene Strukturtheorie, die alle makroskopischen Eigenschaften konsistent zu beschreiben vermag. Flüssigkeiten haben aufgrund der leichten Verschiebbarkeit ihrer Teilchen keine Formbeständigkeit, sondern passen sich der Form des sie einschließenden Gefäßes an und bilden ebene Niveauflächen aus. Aufgrund der relativ dichten Teilchenpackung setzen sie aber Volumenänderungen starken Widerstand entgegen.

Die Ordnungszustände in den drei A. lassen sich mit Hilfe der aus Beugungsexperimenten ableitbaren radialen Verteilungsdichtefunktion W(R) veranschaulichen (Abb.): In einem Koordinatensystem, dessen Ursprung in ein beliebig herausgegriffenes Teilchen gelegt wird, stellt W(R) die Wahrscheinlichkeit dar, am Ende eines vom Koordinatenursprung ausgehenden Vektors der Länge R ein anderes Teilchen anzutreffen. Für Festkörper erkennt man aus der periodischen Wiederkehr der Maxima die Fernordnung im Kristall. Bei Flüssigkeiten entspricht das erste Maximum nach Lage und Höhe dem Maximum des entsprechenden Festkörpers, die Ausprägung weiterer Maxima nimmt jedoch sehr schnell ab und weist auf die räumliche Beschränkung der Nahordnung hin. Für Gase ist von einer bestimmten Entfernung an, die vom Durchmesser der Teilchen bestimmt wird, die Wahrscheinlichkeit für die Anwesenheit eines Teilchens gleich groß.



Aggregatzustand. Abb.: Radiale Verteilungsdichtefunktion W(R) eines Festkörpers (a), einer Flüssigkeit (b) und eines Gases (c).

Alle Elemente und viele chem. Verbindungen können diese drei A. einnehmen. Die äußeren Bedingungen (Druck, Temperatur), die den A. eines Stoffes festlegen, kann man seinem Zustandsdiagramm (Phasendiagramm) entnehmen. Umwandlungen zwischen den Aggregatzuständen eines Stoffes finden bei charakteristischen, vom Druck abhängigen Temperaturen statt und verlaufen bei Erniedrigung (Erhöhung) des Ordnungszustandes unter Wärmeaufnahme (-abgabe) (Phasenumwandlung).

Die Grenzziehung zwischen den A. ist nicht immer eindeutig. Übergangsformen zwischen festem und flüssigem A. stellen die flüssigen Kristalle und Stoffzustände dar, die man als amorph bezeichnet.

Vom Begriff des A. ist der der thermodynamischen Phase streng zu unterscheiden. So bilden z. B. zwei sich nicht miteinander mischende Flüssigkeiten zwar zwei Phasen, liegen aber in nur einem A. vor.

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