Flüssigkeiten
Flüssigkeit einfach erklärt: Entdecke die faszinierenden Eigenschaften des Aggregatzustands flüssig! Von Wasser bis Quecksilber – erfahre, warum bestimmte Stoffe flüssig sind und wie Oberflächenspannung und Viskosität eine Rolle spielen. Interessiert? Du wirst all dies und mehr im folgenden Text finden!
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Lerntext zum Thema Flüssigkeiten
Flüssig – ein Aggregatzustand
In der Natur begegnen uns verschiedene Zustände, in denen Stoffe vorliegen können. Diese werden als Aggregatzustände bezeichnet. Einer dieser Zustände ist die Flüssigkeit, ein faszinierendes Phänomen, bei dem sich Moleküle zwar langsam genug bewegen, um voneinander angezogen zu werden, sich aber zu schnell bewegen, um einen geordneten Platz einzunehmen. Somit nimmt der flüssige Zustand einen Platz zwischen dem festen und dem gasförmigen Zustand ein.
Welche Stoffe sind flüssig?
Lass uns tiefer in die Welt der Flüssigkeiten eintauchen, indem wir uns einige der bekanntesten flüssigen Elemente aus dem Periodensystem und weitere wichtige flüssige Verbindungen anschauen. Hierbei ist zu beachten, dass natürlich auch (a) Gase, die man stark abkühlt, oder (b) Feststoffe, die man dementsprechend erhitzt, flüssig werden. Eine Ausnahme bilden Stoffe, die sich beim Erhitzen vorher zersetzen. Ein Beispiel hierfür wäre Stärke, die gerne in der Küche verwendet wird, um Soßen dicker zu machen. Stärke besteht aus vielen miteinander vernetzten Glucoseeinheiten. Diese daraus entstehenden Stränge wechselwirken aufgrund ihrer Größe mithilfe von unzähligen Wasserstoffbrückenbindungen so stark untereinander, dass sich selbst beim Erhitzen einzelne Moleküle nicht vollständig voneinander lösen können. Stattdessen brechen Bindungen innerhalb dieser Stränge (zwischen den Glucoseeinheiten) auf.${^1}$ Wir beschränken uns nun auf Verbindungen, die bei Raumtemperatur flüssig sind. Wasser ($\ce{H2O}$) ist das bekannteste Beispiel einer Flüssigkeit. Neben Wasser gibt es auch reine Elemente wie Quecksilber ($\ce{Hg}$) und Brom ($\ce{Br2}$), die bei Raumtemperatur flüssig sind. Flüssige Verbindungen, wie Alkohole, Öle und Säuren, begleiten uns ebenfalls in unserem täglichen Leben. Doch warum sind diese Verbindungen flüssig? Eine Rolle spielt die Größe der Moleküle. Häufig gilt: Sehr kleine Moleküle sind gasförmig, kleine Moleküle sind flüssig und große Moleküle fest. Am besten lässt sich dies anhand der Halogene, also der Elemente der siebten Hauptgruppe, zeigen. Bei steigender Größe gilt: Fluor ($\ce{F2}$) und Chlor ($\ce{Cl2}$) sind gasförmig, Brom ($\ce{Br2}$) ist flüssig und Iod ($\ce{I2}$) fest. Grund hierfür ist, dass die Größe einen Einfluss auf die London-Kräfte (Bestandteil der Van-der-Waals-Kräfte) hat. Aber die Größe ist nicht der einzige Einflussfaktor. Ein Wassermolekül ist kleiner und leichter als ein Chlormolekül, aber trotzdem flüssig. Betrachten wir Wasser näher, fällt uns auf, dass die O-H-Bindung sehr polar ist (was bedeutet, dass es eine Bindung zwischen einem elektronegativen und elektropositiven Atom ist). Polare Moleküle werden viel stärker von ihren Nachbarmolekülen angezogen und deshalb reicht bei polaren Molekülen bereits die Größe von Wasser aus, um flüssig zu sein.
Was ist eine Oberflächenspannung?
Ein Phänomen, das eng mit Flüssigkeiten verbunden ist, ist die Oberflächenspannung. Diese Eigenschaft resultiert aus den Anziehungskräften zwischen Molekülen innerhalb einer Flüssigkeit. Während ein Molekül im Inneren einer Flüssigkeit von den umgebenden Molekülen in alle Richtungen gleichmäßig angezogen wird, erfahren Moleküle an der Oberfläche der Flüssigkeit eine einseitige Anziehung nach innen. Dies wird in der folgenden Abbildung veranschaulicht.${^1}$
Aufgrund dieser einwirkenden Gesamtkraft strebt eine Flüssigkeit danach, ihre Oberfläche so klein wie möglich zu halten. Aus diesem Grund sind zum Beispiel Wassertropfen kugelförmig. Als kleiner mathematischer Exkurs ist hierbei anzumerken, dass Kugeln das kleinstmögliche Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis haben. Die Oberflächenspannung stellt daher ein Maß für die nach innen gerichtete Kraft dar, die an der Oberfläche auf ein Molekül wirkt. Diese Spannung nimmt mit steigender Temperatur ab, da die Moleküle mehr Energie haben, um dieser Kraft entgegenzuwirken.
Die Oberflächenspannung ist ein Maß für die nach innen gerichtete Kraft, die an der Oberfläche einer Flüssigkeit auf ein Molekül wirkt.
Was versteht man unter Viskosität?
Ein weiteres faszinierendes Phänomen ist die Viskosität, die den Widerstand einer Flüssigkeit gegenüber einer Bewegung beschreibt (Zähflüssigkeit).${^2}$ Greifen wir hier noch einmal auf unser Beispiel mit der Stärke zurück. Stärke selbst kann nicht flüssig werden. Löst man sie aber in Wasser (wie bei der Soße), sind die Stärkemoleküle von Wassermolekülen umgeben. Die Lösung fließt aber viel langsamer als reines Wasser, da immer wieder einzelne Stärkemoleküle stark miteinander wechselwirken und den ganzen Fluss etwas abbremsen. Die Viskosität einer Stärkelösung ist also höher als die von reinem Wasser. Die Viskosität hängt von Faktoren wie Temperatur und Druck ab. Bei höheren Temperaturen nimmt die Viskosität ab, wodurch sich die Flüssigkeiten leichter bewegen lassen. Wenn wir an unser Beispiel mit der Soße denken, fällt uns auf, dass diese beim Abkühlen sogar puddingartig wird. Um die Viskosität besser zu verstehen, betrachten wir den Zusammenhang zwischen Temperatur und Bewegung der Moleküle. Bei höheren Temperaturen erhalten die Moleküle mehr Energie, bewegen sich schneller und überwinden leichter den inneren Widerstand der Flüssigkeit (also die Wechselwirkung zwischen Molekülen). Dies erklärt, warum mit Stärke angedickte Soße bei höheren Temperaturen dünnflüssiger wird. Die Abhängigkeit der Viskosität vom auf sie wirkenden Druck ist jedoch etwas komplizierter: Die Viskosität von Flüssigkeiten kann unabhängig vom wirkenden Druck sein (wie zum Beispiel Wasser), sich mit steigendem Druck erhöhen (wie zum Beispiel bei einem Stärkebrei (Stärke mit wenig Wasser)) oder sich sogar bei steigendem Druck erniedrigen (wie beispielsweise Ketchup).
Viskosität ist der Widerstand einer Flüssigkeit gegenüber einer Bewegung.
Flüssigkeiten – Zusammenfassung
Insgesamt lassen sich die Eigenschaften von Flüssigkeiten in zwei Schlüsselphänomene zusammenfassen: Oberflächenspannung und Viskosität. Die Oberflächenspannung verleiht Flüssigkeiten eine Form und bildet die Grundlage für viele interessante Naturphänomene. Viskosität hingegen beschreibt den Widerstand einer Flüssigkeit gegenüber einer Bewegung. Beide Phänomene werden mit steigender Temperatur geschwächt, da die Moleküle bei höheren Temperaturen mehr Energie haben, um den intermolekularen Wechselwirkungen entgegenzuwirken. Das Verständnis dieser Eigenschaften ermöglicht es uns nicht nur, die Welt um uns herum besser zu begreifen, sondern hat auch zahlreiche Anwendungen in verschiedenen Bereichen, von der Medizin bis zur Industrie. Die faszinierende Welt der Flüssigkeiten wartet darauf, weiter erforscht und verstanden zu werden.
Häufig gestellte Fragen zum Thema Flüssigkeiten
Flüssigkeiten Übung
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Nenne alle Elemente, die bei Raumtemperatur (20°C) flüssig sind.
TippsGallium kann nur bei Thermometern verwendet werden, die hohe Temperaturen messen sollen.
LösungChlor und Brom sind Halogene. Während Brom bei Raumtemperatur flüssig ist, ist Chlor jedoch gasförmig.
Gallium schmilzt bei etwa 30°C. Definiert man die Raumtemperatur mit 20°C, ist Gallium also nicht flüssig, sondern fest. Der Schmelzpunkt von Cäsium liegt mit etwa 28°C ebenfalls höher als 20°C, damit ist auch dieses Element bei Raumtemperatur fest.
Quecksilber ist somit das einzige Metall, das bei Raumtemperatur flüssig ist. Es wird erst bei -39°C fest.
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Ermittel die dynamischen Viskosität der Flüssigkeiten.
TippsSchmieröl sorgt dafür, dass die Reibung zwischen Oberflächen sehr gering ist. Wie wäre das bei Honig?
LösungDie Viskosität einer Flüssigkeit beschriebt die Zähflüssigkeit in einer physikalischen Größe. Dies wird gemessen, indem zwischen zwei Platten eine Schicht der Flüssigkeit mit einer ganz bestimmten Dicke gegeben wird. Dann wird gemessen, wie viel Kraft nötig ist, um die beiden Platten gegeneinander zu verschieben. Wie du dir sicher denken kannst, ist die nötige Kraft bei Honig sehr hoch. Honig ist sehr klebrig und zähflüssig.
Glycerin ist ein Stoff, der bei vielen kosmetischen Cremes und Salben zum Einsatz kommt. Es handelt sich um eine zähe Flüssigkeit, die diesen Produkten die gewünschte Konsistenz verleiht. Es ist deutlich viskoser als Wasser.
Schmieröl wird benutzt, um die Reibung zwischen zwei Oberflächen möglichst gering zu halten. Daher werden alle beweglichen Metallteile, die an anderen Metallteilen reiben können, mit Schmieröl eingerieben. Dies zeigt schon die geringe Viskosität, die noch unter der von Wasser liegt.
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Beurteile, welche Verbindungen bei Raumtemperatur flüssig sind.
TippsGrößere Moleküle haben in der Regel einen höheren Schmelzpunkt.
LösungDie Wechselwirkungen zwischen den Molekülen, Atomen oder Ionen bestimmen, in welchem Temperaturbereich die Verbindung flüssig ist. Im flüssigen Zustand bestehen schwache Bindungen zwischen den Molekülen. Die Energie der Umgebungstemperatur reicht jedoch aus, um diese Bindungen aufzubrechen. Die Teilchen können sich daher bewegen. Da jedoch ständig neue Bindungen geknüpft werden, entfernen sich die Teilchen nicht weit voneinander.
Je stärker daher die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen, desto mehr Energie wird benötigt, um die Bindungen brechen zu können. Bei starken Wechselwirkungen muss die Temperatur daher höher liegen, wenn eine Verbindung im flüssigen Zustand vorliegen soll.
Da größere Moleküle stärkere Wechselwirkungen miteinander eingehen können, liegen diese bei Raumtemperatur in der Regel nicht als Flüssigkeit, sondern als Feststoff vor. Die beiden dargestellten Fettsäuren Laurinsäure und Palmitoleinsäure sind daher bei Raumtemperatur fest.
Die übrigen Verbindungen sind hingegen flüssig, da es sich um kleine Moleküle mit geringeren Wechselwirkungen untereinander handelt.
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Erschließe die Temperaturabhängigkeit der Oberflächenspannung.
TippsEinige Sätze enthalten die gleiche Aussage.
LösungDie Wechselwirkungen zwischen den Teilchen bestimmen die Größe der Oberflächenspannung. Große Wechselwirkungen bedeuten eine große Oberflächenspannung.
Eine höhere Temperatur bewirkt, dass sich die Teilchen in der Flüssigkeit schneller bewegen. Sie können daher weniger stark miteinander wechselwirken. Kaum kommen zwei Teilchen sich so nahe, dass sich zwischen ihnen eine bindende Wechselwirkung aufbaut, so entfernen sie sich auch schon wieder voneinander.
Bei niedrigen Temperaturen sind die Teilchen unbeweglicher, sie kommen sich daher näher und die bindenden Wechselwirkungen zwischen ihnen sind groß. Dies hat auch eine große Oberflächenspannung zur Folge. Daher ist die Oberflächenspannung bei höheren Temperaturen geringer als bei niedrigeren Temperaturen.
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Definiere den Begriff Oberflächenspannung.
TippsHat eine Kugel eine größere oder eine kleinere Oberfläche als ein Würfel?
LösungDie Oberflächenspannung resultiert aus der Struktur von Flüssigkeiten. Die Moleküle oder Atome werden in Flüssigkeiten durch unterschiedliche Wechselwirkungen zusammengehalten. Diese sind jedoch relativ schwach. Die Energie der Umgebungstemperatur reicht aus, um die Teilchen immer wieder voneinander zu lösen. Dadurch können sich die Teilchen in der Flüssigkeit bewegen, denn sie werden ja nicht mehr so stark von den Nachbarn festgehalten. So entstehen aber auch ständig neue Wechselwirkungen zwischen Teilchen, die sich nahe kommen. Die Teilchen entfernen sich also nicht so weit voneinander wie im gasförmigen Zustand.
An der Oberfläche der Flüssigkeit können die Teilchen mit weniger Nachbarteilchen wechselwirken. Dies ist ungünstig, daher ist es am besten, wenn eine Flüssigkeit eine möglichst geringe Oberfläche hat. So können möglichst viele Teilchen möglichst viele Wechselwirkungen ausbilden. Eine Flüssigkeit wird daher, wenn keine anderen Kräfte wie die Schwerkraft auf sie einwirken, eine Kugel bilden.
Um diese ideale Form mit geringer Oberfläche zu verändern, muss Energie aufgewendet werden. Daher erscheinen die Oberflächen von Flüssigkeiten verfestigt.
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Vergleiche den flüssigen mit dem gasförmigen und festen Zustand.
TippsJe genauer vorhergesagt werden kann, an welcher Stelle sich ein Teilchen befindet, desto höher ist die Ordnung.
LösungIm gasförmigen Zustand bestehen wenig Wechselwirkungen zwischen den Teilchen. Sie sind daher weit voneinander entfernt und bewegen sich sehr schnell.
Kühlt man das Gas ab, so bewegen sich die Teilchen langsamer. Sie kommen sich dabei näher. Daher können nun Wechselwirkungen zwischen den Teilchen Bindungen aufbauen, die die Teilchen zusammenhalten. Wenn die Teilchen nah beieinander sind, sind die Wechselwirkungen groß. Die Teilchen halten sich gegenseitig fest. Sie bewegen sich daher viel langsamer. Die Teilchen richten sich so gegeneinander aus, dass die Wechselwirkungen am größten sind. Es liegt also eine gewisse Ordnung zwischen den Teilchen vor, die durch die Wechselwirkungen erst möglich ist.
Im festen Zustand ist die Temperatur so niedrig, dass sich die Teilchen nur wenig bewegen. Die Wechselwirkungen sind nun am größten und die Teilchen sehr nah aneinander. Nun kann für jedes Teilchen eine genaue Position bestimmt werden, daher ist die Ordnung in diesem Zustand am größten.
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