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.

Der feste Aggregatzustand

In einem festen Körper sind die Bindungsenergien im Vergleich zur thermischen Energie sehr stark. Die atomaren Bausteine sind starr in einem geometrisch genau definierten Kristallgitter gebunden. Jedes Molekül bzw. Atom hat seinen festen Nachbarn. Diese können sich nur sehr wenig gegeneinander verschieben.

Der feste Körper lässt sich nicht komprimieren und ist in gewissen Grenzen elastisch verformbar. Er geht nach einer derartigen Deformation in den Ausgangszustand zurück, hat also ein festes Volumen und eine feste Form. Ist die Deformation jedoch zu groß, beginnt die plastische Verformung, die irreversibel ist und schließlich auch zum Bruch führen kann.

Ein Festkörper

Aber auch im festen Körper sind die Atome ständig in Bewegung: Sie schwingen um ihre festen Gleichgewichtslagen im Kristallgitter. Die thermische Energie ist im festen Körper nur sehr viel geringer als die Bindungsenergie.