Festkörper
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Aggregatzustände und Umwandlungswärmen von Festkörpern
Allotropie
Allotropie zeigt sich besonders eindrucksvoll beim Element Kohlenstoff: Graphit und Diamant sind zwei feststoffliche Formen des Kohlenstoffs, die sich trotz gleicher chemischer Zusammensetzung in ihren physischen und chemischen Eigenschaften deutlich unterscheiden. Der Grund dafür liegt in der unterschiedlichen Art und Weise, wie die Kohlenstoffatome miteinander verknüpft sind. Im Graphit liegen die Atome in Schichten vor, in denen jedes Atom durch starke kovalente Bindungen mit drei weiteren Atomen in einer \(sp^2\)-Hybridisierung verbunden ist, was ihm seine charakteristische planare Struktur verleiht. Die Schichten selbst werden nur durch schwache Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten, was Graphit weich und schmierig macht – ideal als Schreibmine für Bleistifte. Im Kontrast dazu steht Diamant, wo jedes Kohlenstoffatom in einer \(sp^3\)-Hybridisierung mit vier anderen Atomen verbunden ist, was zu einem extrem harten, dreidimensionalen Kristallgitter führt.
Neben Kohlenstoff ist Zinn ist ein weiteres Beispiel für allotrope Modifikationen: Die linke und rechte Seite des Bildes zeigen unterschiedliche allotrope Modifikationen des Zinns.
Das IMPP fragt besonders gerne nach den Eigenschaften und Strukturen von Allotropen und deren Anwendungen in der Praxis. Sei also sicher, dass du die Unterschiede zwischen Graphit und Diamant klar verstehst.
Kristallisationsenthalpie
Bei der Kristallisation wandelt sich eine Substanz vom flüssigen in den festen Aggregatzustand um, was mit einer Freisetzung von Energie einhergeht. Diese Energie wird als Kristallisationsenthalpie bezeichnet. Sie ist jene Wärmemenge, welche abgegeben wird, wenn ein Mol einer Substanz bei einer festgelegten Temperatur und unter konstantem Druck kristallisiert. Diese Energie wird freigesetzt, weil die Partikel im Feststoff geringere kinetische Energie besitzen und stärker geordnet sind als im flüssigen Zustand.
Dichteänderungen und Anomalie des Wassers
Die Dichte einer Substanz kann sich mit dem Aggregatzustand ändern, bei den meisten Stoffen ist der feste Zustand dichter als der flüssige. Wasser ist eine bemerkenswerte Ausnahme von dieser Regel. Im festen Zustand als Eis, zeigt Wasser eine geringere Dichte als im flüssigen Zustand. Der Grund hierfür ist die einzigartige molekulare Struktur des Eises, in der Wassermoleküle in einer weitmaschigen hexagonalen Struktur arrangiert werden, die mehr Raum einnimmt als im flüssigen Zustand.
Schmelzpunktänderung unter Druck und Kristallisation
Wie bereits angesprochen, können Eiskristalle durch Druckerhöhung verflüssigt werden, denn der Schmelzpunkt von Eis sinkt mit steigendem Druck. Dieses Phänomen kann man sich z.B. beim Schlittschuhlaufen zunutze machen, wo durch den ausgeübten Druck auf das Eis unter den Kufen ein dünner Wasserfilm entsteht, der das Gleiten erleichtert.
Außerdem ist es wichtig zu wissen, dass bei Atmosphärendruck die Umwandlung von Wasser zu Eis mit der Freisetzung von Energie einhergeht – der bereits erwähnten Kristallisationswärme.
Behalte das Wasser-Eis-Beispiel im Kopf, wenn du Phasenübergänge bedenkst: Wasser ist aufgrund seiner Dichteanomalie ein klassisches Prüfungsthema.
Mit diesen Ausführungen solltest du einen tiefen Einblick in die Thematik der Aggregatzustände und Umwandlungswärmen von Festkörpern erhalten haben. Die Beherrschung dieser Konzepte bietet dir nicht nur eine solide Grundlage für das Examen, sondern auch für das weiterführende Verständnis von Material- und Umweltwissenschaften.
Zusammenfassung
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Footnotes
Credits Allotrope Modifikationen des Zinns Grafik: Alchemist-hpwww.pse-mendelejew.de), Sn-Alpha-Beta, CC BY-SA 3.0 DE↩︎
