Ein Aggregatzustand ist die Art der Verbindung und Verschiebbarkeit der kleinsten Teile, aus denen Materie zusammengesetzt ist. Anders formuliert sind Aggregatzustände fundamentale Erscheinungsformen von Materie, die sich jeweils sprunghaft in der Mobilität ihrer Atome und Moleküle sowie in der Stärke der Wechselwirkungen zwischen diesen unterscheiden. Die klassischen Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig lassen sich daher sensorisch anhand ihrer unterschiedlichen makroskopischen mechanischen und rheologischen Eigenschaften identifizieren. Daneben werden in der Physik auch weitere, in der Biosphäre der Erde nicht oder kaum natürlich vorkommende Erscheinungsformen der Materie als Aggregatzustand bezeichnet. So gilt Plasma, aus dem beispielsweise die Sonne besteht, als vierter Aggregatzustand der Materie.
Bestimmte Stoffe, wie etwa Flüssigkristalle, viskoelastische Stoffe oder Schmelzen besonders langkettiger Polymere, können Merkmale sowohl des festen als auch des flüssigen Aggregatzustandes aufweisen. Gläser ataktischer Polymere mit hohen Molekulargewichten werden oft als Festkörper betrachtet, obwohl es sich bei diesen lediglich um Flüssigkeiten mit einer – verglichen mit den Zeitskalen menschlicher Wahrnehmung – stark verlangsamten Dynamik handelt.
Der Begriff Aggregatzustand ist vom enger gefassten Begriff Phase abzugrenzen. Eine Phase ist innerhalb eines Materials ein räumlich begrenzter Bereich, der chemisch und physikalisch einheitliche Eigenschaften aufweist. Ein Aggregatzustand kann mehrere Phasen umfassen. Beispielsweise können homogene Feststoffe bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken in unterschiedlichen Kristallmodifikationen vorliegen, die durch enantiotrope Umwandlungen ineinander überführbar sind und die jeweils eine eigene Phase darstellen. Heterogene Gemische können einheitlich im festen oder flüssigen Aggregatzustand vorliegen, aber mehrere Phasen unterschiedlicher stofflicher Zusammensetzungen enthalten. Bei Gasen und Plasmen lassen sich die Begriffe Aggregatzustand und Phase synonym verwenden.
Die Überführung eines Stoffes in einen anderen Aggregatzustand erfolgt durch einen Phasenübergang, der sich durch eine Zustandsänderung herbeiführen lässt, etwa durch eine Änderung der Temperatur, des Drucks oder des Volumens. Die Grenzen zwischen den verschiedenen Aggregatzuständen im Zustandsraum eines Stoffes lassen sich graphisch mit Hilfe von Phasendiagrammen darstellen.
Die drei klassischen Aggregatzustände mini|Temperaturabhängige Häufigkeit der Aggregatzustände der Elemente (blau: fest, rot: flüssig, grün: gasförmig)
Übersicht Es gibt drei klassische Aggregatzustände: fest (f alternativ ss für ): In diesem Zustand behält ein Stoff meist sowohl Form als auch Volumen bei. flüssig (fl alternativ ll für ): Hier wird das Volumen beibehalten, aber die Form ist unbeständig und passt sich dem umgebenden Raum an. gasförmig (g): Hier entfällt auch die Volumenbeständigkeit, ein Gas füllt den zur Verfügung stehenden Raum vollständig aus.
Für feste Stoffe und flüssige Stoffe gibt es den zusammenfassenden Begriff kondensierte Materie. Flüssigkeiten und Gase werden in der Physik unter dem Oberbegriff Fluide zusammengefasst.
Bei Feststoffen unterscheidet man auch nach anderen Merkmalen: kristallin: Ein Feststoff, der seine Form nicht verändert. Seine Bausteine, die Kristalle, weisen eine Fernordnung auf. amorph: Ein Feststoff, der lediglich durch eine Nahordnung ausgezeichnet ist, siehe amorphes Material. Ein amorpher Festkörper ist metastabil. Die klassischen Aggregatzustände lassen sich mit einem Teilchenmodell erklären, das die kleinsten Teilchen eines Stoffes (Atome, Moleküle, Ionen) auf kleine Kugeln reduziert. Die mittlere kinetische Energie aller Teilchen ist in allen Zuständen ein Maß für die Temperatur. Die Art der Bewegung ist in den drei Aggregatzuständen jedoch völlig unterschiedlich. Im Gas bewegen sich die Teilchen geradlinig wie Billardkugeln, bis sie mit einem anderen oder mit der Gefäßwand zusammenstoßen. In der Flüssigkeit müssen sich die Teilchen durch Lücken zwischen ihren Nachbarn hindurchzwängen (Diffusion, Brownsche Molekularbewegung). Im Festkörper schwingen die Teilchen nur um ihre Ruhelage.
Fest
mini|Teilchenmodell eines kristallinen Feststoffes Bewegung Die kleinsten Teilchen sind bei einem Feststoff nur wenig in Bewegung. Sie schwingen um eine feste Position, ihren Gitterplatz, und rotieren meist um ihre Achsen. Je höher die Temperatur wird, desto heftiger schwingen bzw. rotieren sie, und der Abstand zwischen den Teilchen nimmt (meist) zu. Ausnahme: Dichteanomalie. Die Form des Feststoffes bleibt unverändert. Stoffe im festen Aggregatzustand lassen sich nur schwer aufteilen. Sie lassen sich nur schwer verformen (geringe Verformbarkeit, spröde).
Hinweis: Betrachtet man die Teilchen mit quantenmechanischen Grundsätzen, so dürfen aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation eigentlich Teilchen nie ruhig stehen. Sie haben kleine Schwingungen, die man auch als Nullpunktsfluktuationen bezeichnet. Das entspricht dem Grundzustand des harmonischen Oszillators.
Anziehung Zwischen den kleinsten Teilchen wirken verschiedene Kräfte, nämlich die Van-der-Waals-Kräfte, die elektrostatische Kraft zwischen Ionen, Wasserstoffbrückenbindungen oder kovalente Bindungen. Die Art der Kraft ist durch den atomaren Aufbau der Teilchen (Ionen, Moleküle, Dipole …) bestimmt. Bei Stoffen, die auch bei hohen Temperaturen fest sind, ist die Anziehung besonders stark.
Anordnung Durch die schwache Bewegung und den festen Zusammenhalt sind die Teilchen regelmäßig angeordnet. Die meisten festen Reinstoffe haben deshalb eine regelmäßige Struktur (Kristall), nur wenige sind amorph. Die Teilchenanordnung in einem amorphen Festkörper ist ähnlich ungeordnet wie in der Flüssigkeit, er ist jedoch formstabil, da die Teilchenbewegungen gegeneinander weitgehend eingefroren sind.
Abstand Durch die starke Anziehung sind die Teilchen eng beieinander (hohe Packungsdichte) Das Volumen eines Feststoffes lässt sich durch Kompression nach den Gesetzen der Elastizitätstheorie, abhängig von der Größe des Kompressionsmoduls bzw. des E-Moduls, verringern. Temperaturänderungen bewirken ebenso eine Veränderung des Volumens nach den Gesetzen der Wärmeausdehnung.
Flüssig
mini|200px|Teilchenmodell einer Flüssigkeit bzw. eines amorphen Festkörpers
Bewegung Die Teilchen sind nicht wie beim Feststoff ortsfest, sondern können sich gegenseitig verschieben. Bei Erhöhung der Temperatur werden die Teilchenbewegungen immer schneller.
Anziehung Durch die Erwärmung ist die Bewegung der Teilchen so stark, dass die Wechselwirkungskräfte nicht mehr ausreichend sind, um die Teilchen an ihrem Platz zu halten. Die Teilchen können sich nun frei bewegen. Ein flüssiger Stoff verteilt sich von allein, wenn er nicht in einem Gefäß festgehalten wird. Ein Farbstoff verteilt sich von allein in einer Flüssigkeit (Diffusion).
Abstand Obwohl der Abstand der Teilchen durch die schnellere Bewegung ein wenig größer wird (die meisten festen Stoffe nehmen beim Schmelzen einen größeren Raum ein), hängen die Teilchen weiter aneinander. Für die Verringerung des Volumens einer Flüssigkeit durch Kompression gilt ähnliches wie bei einem Festkörper, wobei der entsprechende Kompressionsmodul der Flüssigkeit zum Tragen kommt. Bei einer Temperaturverringerung wird das Volumen ebenfalls kleiner, bei Wasser jedoch nur bis zu einer Temperatur von 4 °C (Anomalie des Wassers), während darunter bis 0 °C das Volumen wieder ansteigt.
Anordnung Obwohl die Teilchen sich ständig neu anordnen und Zitter-/Rotationsbewegungen durchführen, kann eine Anordnung festgestellt werden. Diese Nahordnung ist ähnlich wie im amorphen Festkörper, die Viskosität ist jedoch sehr viel niedriger, d. h., die Teilchen sind beweglicher.
Gasförmig
mini|Teilchenmodell eines Gases
Bewegung Bei Stoffen im gasförmigen Zustand sind die Teilchen schnell in Bewegung. Ein Gas oder gasförmiger Stoff verteilt sich schnell in einem Raum. In einem geschlossenen Raum führt das Stoßen der kleinsten Teilchen gegen die Wände zum Druck des Gases.
Anziehung Beim gasförmigen Zustand ist die Bewegungsenergie der kleinsten Teilchen so hoch, dass sie nicht mehr zusammenhalten. Die kleinsten Teilchen des gasförmigen Stoffes verteilen sich gleichmäßig im gesamten zur Verfügung stehenden Raum.
Abstand Durch die schnelle Bewegung der Teilchen in einem Gas sind sie weit voneinander entfernt. Sie stoßen nur hin und wieder einander an, bleiben aber im Vergleich zur flüssigen Phase auf großer Distanz. Ein gasförmiger Stoff lässt sich komprimieren, d. h., das Volumen lässt sich verringern.
Anordnung Wegen der Bewegung sind die Teilchen ungeordnet.
In der physikalischen Chemie unterscheidet man zwischen Dampf und Gas. Beide sind physikalisch gesehen nichts anderes als der gasförmige Aggregatzustand; die Begriffe haben auch nicht direkt mit realem Gas und idealem Gas zu tun. Was umgangssprachlich als „Dampf“ bezeichnet wird, ist physikalisch gesehen eine Mischung aus flüssigen und gasförmigen Bestandteilen, welche man im Falle des Wassers als Nassdampf bezeichnet.
Bei einem Dampf im engeren Sinn handelt es sich um einen Gleichgewichtszustand zwischen flüssiger und gasförmiger Phase. Er kann, ohne Arbeit verrichten zu müssen, verflüssigt werden, das heißt beim Verflüssigen erfolgt kein Druckanstieg. Ein solcher Dampf wird in der Technik als Nassdampf bezeichnet im Gegensatz zum sogenannten Heißdampf oder überhitzten Dampf, der im eigentlichen Sinn ein reales Gas aus Wassermolekülen darstellt und dessen Temperatur oberhalb der Kondensationstemperatur der flüssigen Phase beim jeweiligen Druck liegt.
Ausgewählte Reinstoffe als Beispiele Reinstoffe werden entsprechend ihrem Aggregatzustand bei einer Temperatur von 20 °C (siehe Raumtemperatur) und einem Druck von 1013,25 hPa (Normaldruck) als Feststoff, Flüssigkeit oder Gas bezeichnet. Beispiel: Brom ist bei Raumtemperatur und Normaldruck flüssig (siehe Tabelle), also gilt Brom als Flüssigkeit.
Diese Bezeichnungen (Feststoff, Flüssigkeit, Gas) werden zwar auch gebraucht, wenn Stoffe unter veränderten Bedingungen einen anderen Aggregatzustand annehmen. Im engeren Sinne bezieht sich die Einteilung jedoch auf die oben genannten Standardbedingungen; jeder Stoff gehört dann zu einer der Kategorien.
Stoff Schmelztemperatur1 Siedetemperatur1 Aggregatzustandim Gefrierschrank (−10 °C)1 Aggregatzustandbei Raumtemperatur (25 °C)1 Aggregatzustandim Backofen (150 °C)1 Eisen 1535 °C 2750 °C fest fest fest Kupfer 1084 °C 2567 °C fest fest fest Caesium 28 °C 671 °C fest fest flüssig Sauerstoff −219 °C −183 °C gasförmig gasförmig gasförmig Helium −272 °C −269 °C gasförmig gasförmig gasförmig Brom −7 °C 59 °C fest flüssig gasförmig Chlor −101 °C −35 °C gasförmig gasförmig gasförmig Wasser 0 °C 100 °C fest flüssig gasförmig 1 bei Normaldruck
Aggregatzustände in Gemischen Bei der Vermischung von Stoffen ergeben sich abhängig vom Aggregatzustand der Bestandteile und ihrem mengenmäßigen Anteil charakteristische Gemische, zum Beispiel Nebel oder Schaum.
Änderung des Aggregatzustands 400px|rechts|Überblick über die Aggregatzustandsänderungen Die Übergänge zwischen den verschiedenen Aggregatzuständen haben spezielle Namen (eoc, omc, eon) und spezielle Übergangsbedingungen, die bei Reinstoffen aus Druck und Temperatur bestehen. Diese Übergangsbedingungen entsprechen dabei Punkten auf den Phasengrenzlinien von Phasendiagrammen. Hierbei ist für jeden Phasenübergang eine bestimmte Wärmemenge notwendig bzw. wird dabei freigesetzt.