Kapitel 1

Materie – woraus wir bestehen und was uns umgibt

In diesem Kapitel lernen Sie, dass Materie aus Stoffen oder Stoffgemischen besteht, die in unterschiedlichen Aggregatzuständen (fest, flüssig, gasförmig) vorkommen können. Der Aggregatzustand einer Substanz hängt von den externen Faktoren Druck und Temperatur ab. Diese Faktoren ermöglichen alltägliche Phänomene wie den Föhnwind an den Alpen oder das Schlittschuhlaufen. Reinstoffe werden Sie als Moleküle oder (Gas-)Atome kennenlernen, die sich durch physikalisch-chemische Trennmethoden wie Destillation, Kristallisation oder Sublimation nicht weiter zerlegen lassen. Intermolekulare und -atomare Wechselwirkungen halten die kleinsten Bestandteile der Materie, die Moleküle und Atome, zusammen und bestimmen so die unterschiedlichsten Eigenschaften der Stoffe – vom harten Diamanten bis hin zum weichen Autoreifen.

Materie – Atome und Moleküle füllen den Raum

Als Materie wird all das bezeichnet, was Masse besitzt und Raum beansprucht. Dabei unterscheidet man Reinstoffe wie zum Beispiel destilliertes (also reines) Wasser und Gemische wie etwa das Meerwasser, das neben Wasser auch Salze und andere Stoffe enthält. Im Gegensatz zu den Reinstoffen lassen sich Gemische durch physikalisch-chemische Trennverfahren wie Destillation, (Um)Kristallisation oder Sublimation in ihre einzelnen Bestandteile zerlegen.

Die so erhaltenen Reinstoffe können in Elemente, wie beispielsweise Sauerstoff, Eisen oder Calcium, und in Verbindungen, die aus Atomen unterschiedlicher Elemente aufgebaut sind, wie zum Beispiel Wasser (H2O), Kohlendioxid (CO2) oder Ammoniak (NH3), unterteilt werden (siehe Abbildung 1.2).

Heterogene Gemische setzen sich aus mechanisch trennbaren Komponenten zusammen – so kann beispielsweise mit Staub verunreinigte Luft durch Filter gereinigt werden. Bei homogenen Gemischen hingegen, zum Beispiel Autoabgase mit Kohlenmonoxid funktioniert diese mechanische Trennung nicht.

• Gemisch: Zwei oder mehr feste Komponenten sind miteinander vermengt, zum Beispiel Quarz, Glimmer und Feldspat, die (geschmolzen, dann erkaltet) Granit ergeben (Abbildung 1.3).

• Suspension: Eine feste und eine flüssige Komponente wie Sand in Wasser (Schlamm) ergeben eine Suspension.
• Aerosol: In einem Gas (meist Luft) sind feste (Staub) oder flüssige (Nebel) Bestandteile enthalten.
• Emulsion: Flüssige, sehr kleine Fetttröpfchen in Wasser bilden eine Emulsion wie beispielsweise Milch.

Anders als bei einer Lösung (etwa Salz in Meerwasser), trennt in einer Suspension die Gravitation feste von flüssigen Bestandteilen. Hier ist der Feststoff nicht gelöst, sondern in der Flüssigkeit fein verteilt. Dieses physikalische Prinzip macht man sich beim Sedimentieren (absetzen lassen) zu nutze. Auch das Blut in Ihren Adern ist eine Suspension, in der die festen Bestandteile (Blutzellen) von den flüssigen Bestandteilen (Blutplasma) durch die Schwerkraft getrennt werden können. Würde man ein Reagenzglas mit Blut eine Weile stehen lassen, würden die festen Bestandteile mit der Zeit nach unten sinken, also sedimentieren. (Sie müssten allerdings einen Hemmstoff hinzugeben, damit das Blut nicht gerinnt.) Zur Beschleunigung dieses Vorgangs wird die Suspension in der Laborpraxis in einer sehr schnell rotierenden Zentrifuge behandelt. Die Fliehkraft übernimmt in diesem Fall die Rolle der Gravitation (siehe Abbildung 1.4).

Eisenpulver (Fe) und Schwefelpulver (S) können zu einem Gemisch vermengt werden. Starten Sie aber durch Erhitzen eine Reaktion, wandelt sich dieses Gemisch in die neue chemische Verbindung Eisensulfid um (Formel FeS). Diese chemische Verbindung zeigt ganz andere Eigenschaften als das physikalische Gemenge aus Eisen und Schwefel.

Die Unterscheidung zwischen »physikalischem Gemisch« und »chemischer Verbindung« ist bei der Reaktion von magnetischem Eisenpulver (Elementsymbol »Fe«, lateinisch: ferrum) mit elementarem Schwefel (Elementsymbol »S«, lateinisch: sulfur) zu nicht-magnetischem Eisensulfid (chemische Formel: FeS) besonders anschaulich:

Im Gegensatz zum Eisen-Schwefel-Gemenge, aus dem Eisen mit einem Magneten entfernt werden kann, ist nach der Reaktion die neue chemische Verbindung Eisensulfid FeS entstanden, die völlig andere Eigenschaften als das Gemenge aus Eisenpulver und Schwefel aufweist. Anders als Eisen oder Schwefel reagiert das nicht-magnetische FeS mit Salzsäure unter Freisetzung des nach faulen Eiern stinkenden, giftigen Schwefelwasserstoffs (H2S):

Materie setzt sich aus winzigen Bausteinen zusammen, den Atomen. Wenn sich mehrere Atome miteinander verbinden, entstehen Moleküle. Die Atome wiederum (vom griechischen »atomos« = unteilbar) werden von den drei Elementarteilchen Elektron (e−), Proton (p+) und Neutron (n) gebildet. In den nächsten beiden Kapiteln erfahren Sie noch mehr über Atome und die chemischen Bindungen, durch die aus Atomen Moleküle entstehen.

Fest, flüssig, gasförmig – die Aggregatzustände

Der Aggregatzustand gibt die Erscheinungsform von Materie als Gas, Flüssigkeit oder Feststoff an. Zwischen den Teilchen, aus denen Materie besteht, können anziehende Wechselwirkungen auftreten. Beim Übergang von einem festen über einen flüssigen in einen gasförmigen Aggregatszustand nehmen die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen ab. Um beispielsweise einen festen Stoff zu verflüssigen, muss Energie aufgebracht werden, etwa durch Erhitzen. Thermische Energie bedeutet, dass die Teilchen sich schneller bewegen bzw. schneller schwingen. Je schneller sie sich bewegen, umso geringer ist ihre Neigung, aneinander zu haften. So kommt es mit steigender Temperatur zur Änderung des Aggregatzustands von »fest« (starke Haftung) über »flüssig« (schwächere Haftung) in »gasförmig« (kaum noch Haftung). Das Ausmaß der Unordnung (später werden Sie hierfür den Begriff Entropie kennenlernen) nimmt in der gleichen Richtung zu (siehe Abbildung 1.5).

Dazu noch einige Beispiele für Übergänge zwischen Aggregatzuständen aus dem Alltag:

• Die Verdunstungskälte ist für die Aufrechterhaltung einer konstanten Körpertemperatur sehr wichtig. Durch Schwitzen kühlt der Körper ab, da ihm für den Übergang von flüssigem zu gasförmigem Wasser (Schweiß auf der Haut) Wärmeenergie entzogen wird, um die zwischenmolekularen Kräfte der Wassermoleküle in der Flüssigkeit zu lösen.
• Ebenso führen verdampfende Löschmittel wie in Wasser- oder Kohlendioxid-Löschgeräten zur Abkühlung und löschen so Brände.

  Abbildung...