Die Aggregatzustände

Es ist allgemein bekannt, dass die Materie aus Atomen oder Molekülen aufgebaut ist. Die Stoffe können jedoch in unterschiedlichen Erscheinungsformen vorliegen. Denken wir beispielsweise an Wasser, das immer aus H₂O-Molekülen besteht. Hier gibt es eine feste (Eis), eine flüssige (Wasser) und eine gasförmige Phase (Wasserdampf). Man bezeichnet dies auch als den festen, den flüssigen und den gasförmigen Aggregatzustand.

Die Ursache hierfür ist in der Wechselwirkung der Bausteine der Materie, also der Moleküle bzw. Atome, untereinander zu suchen: Diese befinden sich in ständiger unregelmäßiger Bewegung, deren Intensität von der Temperatur abhängt. Diese wird daher auch thermische Bewegung genannt. Ein deutliches Indiz für die thermische Bewegung der Moleküle ist die Brownsche Molekularbewegung. Wir werden hierauf später genauer eingehen.

Zwischen den Molekülen eines Stoffes wirken andererseits anziehende Kräfte, die als Bindungskräfte oder Molekularkräfte bezeichnet werden. Die thermische Bewegung wirkt den Bindungskräften entgegen. Abhängig vom Verhältnis von Bindungsenergie zu thermischer Energie finden wir die unterschiedlichen Erscheinungsformen der Materie: Wir unterscheiden den festen, den flüssigen und den gasförmigen Aggregatzustand. Jeder der drei Aggregatzustände hat eine besondere innere Struktur, die seine Eigenschaften wesentlich bestimmt.

Ändert sich die Intensität der thermischen Bewegung der Moleküle eines Stoffes, so ändert sich auch das Verhältnis zwischen Bindungsenergie und thermischer Energie. Als Folge kann ein Stoff seinen Aggregatzustand ändern. Man bezeichnet dies als Phasenübergang.

Die Brownsche Molekularbewegung

Die Brownsche Bewegung ist nach dem schottischen Botaniker Robert Brown (1773-1858) benannt, der sie 1827 bei seinen Untersuchungen von Pollenkörnern unter dem Lichtmikroskop entdeckte. Er erkannte, dass diese Bewegung eine Folge unregelmäßiger Stöße der sich ständig bewegenden Atome und Moleküle des Lösungsmittels sein musste. Diese stoßen die größeren und daher sichtbaren Teilchen (z.B. die Pollenkörner) an und führen so zu einer ungeordneten Bewegung dieser Teilchen, die dann als Brownsche Bewegung beobachtet werden kann.

Die Brownsche Bewegung kann man nicht nur in Flüssigkeiten studieren. In Gasen kann man z. B. erkennen, wie kleine Tröpfchen (Nebel) oder feste Teilchen (Staub, Rauch) sich unregelmäßig hin und her bewegen. Ursache ist auch hier die thermische Bewegung der viel kleineren und daher unsichtbaren Gasmoleküle.

Sie können sich hier eine Simulation der Brownschen Bewegung ansehen.