Was passiert mit einem Gas, wenn sein Druck erhöht wird? » Wissenschafts-ABC

Wie cool ist es, seinen Zustand zu ändern? Friere mich ein; Ich bin Eis. Wärme mich; Ich bin Wasser. Kochen Sie mich; Ich bin Dampf. Ich habe verschiedene Formen und Zustände: Ich bin Materie!

Die verschiedenen Zustände der Materie (Foto: VectorMine/Shutterstock)

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Die Vielseitigkeit von ‚Angelegenheit‘

Einfach gesagt, die Definition von Angelegenheit ist etwas, das Masse trägt und Raum einnimmt. Es gibt vier Grundzustände der Materie: fest, flüssig, gasförmig und Plasma.

Anordnung von Molekülen in verschiedenen Aggregatzuständen (Bildnachweis: udaix/Shutterstock)

Feststoffe: Diese sind starr und inkompressibel mit einer bestimmten Form und Volumen. Starke intermolekulare Kräfte halten die Moleküle ohne oder mit vernachlässigbaren intermolekularen Zwischenräumen zusammen. Die Moleküle in Festkörpern haben eine geringe kinetische Energie und eine geringe Schwingungsenergie. Feststoffe können in zwei Formen vorliegen: kristallin oder amorph. Fester Kohlenstoff liegt in kristalliner Form als Diamant und in amorpher Form als Holzkohle vor.

Flüssigkeiten:

Diese sind flüssig, haben ein bestimmtes Volumen, keine bestimmte Form (nimmt die Form des Behälters an) und sind inkompressibel. Moderate intermolekulare Kräfte halten die Moleküle zusammen mit schwachen intermolekularen Räumen. Die Moleküle in Flüssigkeiten bewegen sich mit mäßiger kinetischer Energie. Flüssigkeiten besitzen Eigenschaften der Kapillarwirkung, Viskosität und Oberflächenspannung.

Gase:

Zwischenmolekulare Räume in Gasen (Photo Credit: Arisa_J/Shutterstock)

Diese sind auch sehr flüssig, haben eine unbestimmte Form und ein unbestimmtes Volumen und sind leicht komprimierbar. Die zwischenmolekularen Kräfte in einem Gas sind sehr schwach und die zwischenmolekularen Abstände sind groß. Daher sind Gase frei fließend und die Moleküle in einem Gas bewegen sich mit hoher kinetischer Energie.

Plasma:

Der am häufigsten vorkommende Materiezustand im Universum ist Plasma oder überhitzte Materie. 99 % der Materie im Universum befindet sich im Plasmazustand. Wenn Energie durch neutrales Gas geleitet wird, werden die Elektronen entfernt, um sowohl positiv als auch negativ geladene Ionen zu bilden. Es hat weder Form noch Volumen. Plasma bildet Sonne und Sterne.

(Bildnachweis: Quardia/Shutterstock)

Was bestimmt den Zustand der Materie?

Materie hat bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck einen bestimmten Zustand. Die zwei Faktoren, die seinen Zustand regulieren, sind:

1. Temperatur (erklärt durch das Gesetz von Charles)
2. Druck (erklärt durch das Gesetz von Boyles)

Den Einfluss der Temperatur auf die Zustände der Materie verstehen

Bei atmosphärischem Druck liegt Wasser bei Temperaturen zwischen 0°C und 100°C als Flüssigkeit, bei Temperaturen über 100°C als Wasserdampf (Gas) und bei 0°C und darunter als Eis (fest) vor. Die Temperaturbereiche, in denen Stoffe in einem bestimmten Zustand vorliegen, sind für jeden Stoff unterschiedlich. Wir wissen, dass Wasser drei Zustände hat, aber was ist mit anderen Elementen und Verbindungen? Existieren Eisen, Sauerstoff und Calciumchlorid in drei Zuständen? Die nachdrückliche Antwort lautet: „Jede Materie existiert in unterschiedlichen Zuständen, abhängig von Temperatur und Druck“. Sauerstoff ist bei > -182 ᵒC ein Gas, während Eisen bei 2860 ᵒC ein Gas ist. Alle Materie kann in den drei Zuständen existieren, aber die Temperaturen, bei denen sie jeden Zustand erreichen, sind sehr unterschiedlich.

Das Gesetz von Charles regelt die Staaten der Materie

Das Gesetz von Charles besagt das Das Volumen einer festen Gasmenge ist direkt proportional zu ihrer absoluten Temperatur, wenn der Druck konstant bleibt.

Gesetz von Charles, das die Beziehung zwischen Temperatur und Volumen postuliert (Foto: udaix/Shutterstock)

Wenn bei konstantem Druck die Temperatur eines Festkörpers (z. B. Eis) erhöht wird, nimmt sein Volumen entsprechend zu. Mit dem vergrößerten Volumen bewegen sich Moleküle weiter, vergrößern den intermolekularen Abstand und verringern dadurch die intermolekularen Kräfte. Wenn dies geschieht, durchläuft das feste Eis langsam einen Phasenübergang zu flüssigem Wasser. Eine weitere Erhöhung der Temperatur erhöht proportional das Volumen, wodurch sich die Moleküle weiter voneinander entfernen. Dies erhöht den intermolekularen Abstand und verringert die intermolekulare Anziehungskraft, wodurch die Verschiebung von Wasser (Flüssigkeit) zu Dampf (Gas) verursacht wird.

Die Wirkung von Druck auf die Zustände der Materie verstehen

Wie bereits erwähnt, ist der Druck ein weiterer kritischer Faktor, der den Zustand der Materie bestimmt. Dieses Prinzip wird bei der Herstellung von flüssigem N genutzt2 und Trockeneis (festes Kohlendioxid). Gasförmiger Stickstoff wird flüssig, wenn der Druck auf das Gas erhöht wird. Andererseits können Sie Wasser bei Raumtemperatur zum Kochen bringen, indem Sie den Druck ausreichend verringern. Druck und Temperatur stehen also in einem umgekehrten Verhältnis. Flüssigkeit N2 und Trockeneis werden hergestellt, indem Druck auf die Gase N ausgeübt wird2 und CO2 ihren Zustand von gasförmig zu flüssig bzw. von gasförmig zu fest zu ändern.

Flüssiges N2 (Foto: Suslov Denis/Shutterstock)

Trockeneis (Bildnachweis: Kollawat Somsri/Shutterstock)

Das Gesetz von Boyle regelt die Zustände der Materie

Wie bereits erwähnt, gibt es eine umgekehrte Beziehung zwischen Druck und Temperatur, die durch das Gesetz von Boyle geregelt wird. Laut Gesetz nimmt das Volumen eines Gases mit abnehmendem Druck bei konstanter Temperatur zu.

Boyles Gesetz, das die Beziehung zwischen Druck und Volumen postuliert (Foto: udaix/Shutterstock)

Aus der obigen Abbildung sehen wir, dass der Druck und das Volumen eines Gases umgekehrt proportional sind. Wenn der Druck erhöht wird, nimmt das Volumen ab, wodurch die Moleküle näher zusammenrücken. Dadurch wird die intermolekulare Anziehungskraft erhöht und der intermolekulare Abstand verringert. Dadurch wird der Übergang vom gasförmigen in den flüssigen Zustand gefördert. Eine weitere Druckerhöhung reduziert das Volumen noch mehr und überführt so Flüssigkeiten in Feststoffe.

Wie entsteht Trockeneis?

Bei der Trockeneisherstellung ist der Druck auf CO2 Gas wird von 1 atm (1 atm) auf 5,11 reduziert. Bei diesem Druck und konstant -56ᵒC entsteht gasförmiges CO2 wird zu festem CO2 mit einem sehr vorübergehenden flüssigen Zustand. Die spezifische Temperatur und der spezifische Druck, bei denen drei Zustände einer Materie im Gleichgewicht sind, wird als ihr bezeichnet dreifacher Punkt.

Tripelpunkt: Die Temperatur und der Druck, bei denen die festen, flüssigen und dampfförmigen Phasen einer reinen Substanz im Gleichgewicht koexistieren können (Photo Credit: magnetix/Shutterstock)

Eine leichte Temperaturabnahme führt zu einer Phasenumwandlung von gasförmigem CO2 zu festem CO2.

Schlussfolgerungen

Die Aggregatzustände werden ständig wiederverwendet, und Temperatur und Druck steuern die Phasenübergänge. Die Temperatur und der Druck, bei denen alle Zustände koexistieren, werden als Tripelpunkt bezeichnet. Ein fein orchestrierter Prozess dazwischen Temperatur, Volumen und Druck bestimmt den Stand jeder Angelegenheit.

Vorgeschlagene Literatur