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Zustandsformen von Materie

Fester Zustand

Bei einem Festkörper sind Form und Volumen schwer zu verändern. Der Festkörper besteht aus einem dreidimensionalen Netz oder Gitter von Atomen, Ionen oder Molekülen, die durch starke Kräfte zusammengehalten werden. Die einzelnen Teilchen nehmen feste Plätze relativ zueinander ein, d.h. ein Festkörper besitzt eine Fernordnung.

Aufgrund der engen Packung der einzelnen Teilchen besitzen Festkörper eine höhere Dichte als Flüssigkeiten oder Gase. Eine biologisch sehr wichtige Ausnahme bildet Wasser, das im flüssigen Zustand bei 4 °C seine höchste Dichte hat. Man nennt dieses Phänomen die Dichteanomalie des Wassers.

Die Art und Stärke der Kräfte zwischen den einzelnen Teilchen können sehr unterschiedlich sein. Man unterscheidet:

  • Coulomb-Kräfte, die nur zwischen Ionen oder polaren Molekülen wirken,
  • Dispersionskräfte, die durch kurzfristige Ladungsverschiebungen in den einzelnen Molekülen entstehen. Die neuen Ladungsschwerpunkte können sich dann wie Ionen anziehen.

Eine quantitative Beschreibung der Kräfte zwischen den einzelnen Teilchen im Festkörper ist sehr schwierig und erfordert eine genaue Kenntnis der molekularen Eigenschaften und Strukturen. Ihre relative Größenordnung kann man aber aus der Schmelztemperatur und der Schmelzwärme eines Stoffes abschätzen.

Da die attraktiven (anziehenden) Kräfte im flüssigen Zustand schwächer sind, ist die Schmelzwärme ein Maß für die Abnahme dieser Kräfte beim Phasenübergang. Die Wärmemenge (Energie) wird nach IUPAC in Joule (J) gemessen. Die Einheit Kalorie (cal) ist veraltet und sollte nicht mehr verwendet werden.

Definition
4,1868J ( 1cal ) entsprechen der Wärmemenge, die benötigt wird, um 1g Wasser von 14,5°C auf 15,5°C zu erwärmen.

Beispiele für Schmelztemperaturen und molare Schmelzwärmen

Es gibt Festkörper, die zwar eine starre Form haben, aber keine Fernordnung besitzen, d.h., diese Feststoffe besitzen kein regelmäßiges Gitter. Sie werden als amorphe Festkörper bezeichnet. Gute Beispiele dafür sind Glas oder Polyethylen. Sie besitzen deshalb auch keinen festen Schmelzpunkt. Der Übergang von fest nach flüssig erfolgt kontinuierlich in einem größeren Temperaturbereich.

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