Wie wird eine Flüssigkeit auf der makroskopischen (von außen sichtbaren) Ebene definiert?
Als ein Stoff, der einer Formänderung fast keinen Widerstand entgegensetzt, aber einer Volumenänderung einen sehr großen.
Anmerkung:
Flüssigkeiten sind formunbeständig, aber volumenbeständig
Wie lautet die Definition auf der mikroskopischen (Teilchen-) Ebene?
Ein Stoff, dessen Teilchen…
sich ständig und unregelmäßig bewegen.
zwar keine feste Ordnung über die Ferne, aber eine gewisse Ordnung zu ihren direkten Nachbarn haben (Nahordnung).
sich gegenseitig verschieben können, aber aneinander haften bleiben.
Stell dir vor, du hast ein Glas Wasser und einen Eiswürfel darin. Beide bestehen aus H²O. Warum schwimmt der Eiswürfel oben, obwohl er “fest” ist, während das Wasser “flüssig” den Boden des Glases einnimmt? Was sagt das über ihre Eigenschaften aus?
Dieser einfache Vorgang zeigt die grundlegenden Eigenschaften der Aggregatzustände:
Flüssiges Wasser ist formunbeständig und passt sich dem Glas an. Es hat aber ein festes Volumen.
Der feste Eiswürfel behält sowohl seine Form als auch sein Volumen bei. (Dass er schwimmt, ist eine besondere Eigenschaft von Wasser, die wir später noch genauer betrachten - die Dichteanomallie!)
Welcher Begriff beschreibt den direkten Übergang von einem festen in einen gasförmigen Zustand?
Was stellt ein Phasendiagramm (p,T-Diagramm) für einen Reinstoff dar?
Es beschreibt, in welchem Aggregatzustand (fest, flüssig, gasförmig) ein Stoff bei einem bestimmten Druck (p) und einer bestimmten Temperatur (T) vorliegt. Die Linien im Diagramm stellen die Bedingungen dar, unter denen Phasenübergänge stattfinden (z. B. Schmelzen, Sieden).
Definiere die zwei wichtigsten Punkte in einem Phasendiagramm:
Tripelpunkt
Kritischer Punkt
Tripelpunkt:
Der exakten Druck und die exakte Temperatur. An dem alle drei Phasen (fest, flüssig, gasförmig) gleichzeitig im Gleichgewicht existieren.
Kritischer Punkt:
Der Endpunkt der Dampfdruckkurve. Oberhalb dieses Punktes sind die Dichten der flüssigen und gasförmigen Phase identisch und es gibt keinen Unterschied mehr zwischen ihnen.
Stell dir vor, du erhitzt einen Topf mit Wasser mit Eis bei normalem Luftdruck und misst kontinuierlich die Temperatur. Warum steigt die Temperatur nicht gleichmäßig an, obwohl du konstant Energie zuführst?
Die zugeführte Energie wird nicht immer zur Temperaturerhöhung genutzt. An den Phasengrenzen wird die benötigt, um die Molekülbindungen aufzubrechen:
Phase (Eis erwärmen): Temperatur steigt
Phasenübergang (Schmelzen): Temperatur bleibt bei 0°C konstant, bis alles Eis flüssig ist. Die Energie wird zur Schmelzwärme.
Phase (Wasser erwärmen): Temperatur steigt an wieder an.
Phasenübergang (Sieden): Temperatur bleibt bei 100°C konstant, bis alles Wasser verdampft ist. Die Energie wird zur Verdampfungswärme.
Was beschreibt die spezifische Wärmekapazität (c) und mit welcher Formel berechnest du die benötigte Wärmemenge Q (in Joule), um eine Masse (m) um eine Temperatur ∆T zu erwärmen?
Die spezifische Wärmekapazität (c) gibt an, wie viel Energie (thermische Energie) man 1 kg eines Stoffes zuführen muss, um ihn um 1 Kelvin (oder 1°C) zu erwärmen. Sie ist ein Maß dafür, wie gut ein Körper Wärme Speichern kann.
Formeln:
Allgemeine Formeln:
C = ∆Q/∆t
[C] = J/kg K
spezifische:
C = C / m = ∆Q / m ∆t
Welche Formel nutzt du, um die Wärmemengen Q zu berechnen, die für einen Phasenübergang (z. B. Schmelzen) einer Masse m benötigt wird?
Hierfür nutzt man die spezifische Schmelzwärme was oder die Verdampfungswärme qv. Diese gibt an, wie viel Energie nötig ist, um 1 kg des Stoffes zu schmelzen oder zu verdampfen.
Q = qs × m (fürs Schmelzen)
Während dieses Vorgangs ändert sich die Temperatur nicht.
Du lässt eine Wasserpfütze an einem warmen Tag trocknen. Welcher Prozess findet hier hauptsächlich statt?
Warum haben verschiedene Flüssigkeiten (z.B. Wasser vs. Benzin) so unterschiedliche Siedepunkte und Mischverhalten? Was ist die treibende Kraft dahinter auf molekularer Ebene?
Der Hauptgrund sind die intermolekularen Kräfte. Das sind die Anziehungskräfte zwischen den einzelnen Molekülen. Je stärker diese Kräfte sind, desto mehr Energie (Wärme) wird benötigt, um die Moleküle voneinander zu trennen (Sieden) und desto Wählerfischer ist der Stoff bei seinen “Mischpartnern”.
Ordne die drei wichtigsten intermolekularen Kräfte nach ihrer Stärke (von schwach nach Stark) und gib ein kurzes Stichwort zu jeder.
Dipol-Dipol-Kräfte
Van-der-Waals-Kräfte
Wasserstoffbrücken
Van-der-Waals-Kräfte (am schwächsten): Wirken bei allen Molekülen, sind aber bei unpolaren Molekülen die einzige Kraft.
Dipol-Dipol-Kräfte (Mittel): Wirken zusätzlich bei polaren Molekülen (permanenten Dipole).
Wasserstoffbrücken (am stärksten): Eine besonders starke Art der Dipol-Dipol-Kraft, die nur Auftritt, wenn Wasserstoff (H) an einem stark elektronenaktives Atom wie Sauerstoff (O), Stickstoff (N) oder Fluor (F) gebunden ist.
Stell dir ein Tauziehen zwischen zwei Atomen um die gemeinsamen Elektronen in einer Bindung vor. Was passiert, wenn ein Atom (z.B. Sauerstoff) viel stärker zieht als das andere (z.B. Wasserstoff)? Was ist die Folge für das gesamte Wassermolekül?
Das stärkere Atom (Sauerstoff) zieht die Elektronen näher zu sich und wird dadurch leicht negativ geladen. Das schwächere Atom (Wasserstoff) wird leicht positiv. Es entsteht eine polaren Bindung. Da das Wassermoleküle gewinkelt ist, hat es eine klar negative Seite (beim Sauerstoff) und eine positive Seite (bei den Wasserstoffen). Es ist ein permanenter Dipol.
Grundsatz der Löslichkeit:
“Gleiches löst Gleiches”
Polaren Stoffe (z.B. Salz) lösen sich in polaren Lösungsmitteln (z.B. Wasser). Unpolaren Stoffe (z.B. Öl) tun dies nicht.
Du versuchst, Salz (polar) und Öl (unpolar) in Wasser (polar) zu lösen. Was wird passieren, basierend auf dem Grundsatz der Löslichkeit?
Wie hängen die Begriffe hydrophil und hydrophob direkt mit der Polarität eines Stoffes zusammen?
Hydrophil (wasserliebend): Diese Eigenschaft haben polare Stoffe. Sie können mit den Wassermolekülen gut in Wechselwirkung treten und lösen sich daher gut.
Hydrophob (wasserabweisend): Diese Eigenschaft haben unpolaren Stoffe. Sie können keine starken Bindungen zum polaren Wasser aufbauen und werden von diesem quasi “verdrängt”.
Was ist der Unterschied zwischen qualitativer und quantitativer Löslichkeit?
Qualitativ: Beantwortet die “Ob”- Frage. Ist ein Stoff in einem Lösungsmittel löslich? (Z.B. Ja, Salz ist in Wasser löslich).
Quantitativ: Beantwortet die “Wie viel”- Frage. Welche Menge eines Stoffes kann maximal in einem bestimmten Volumen gelöst werden? (Z.B. 359 g Salz pro Liter Wasser bei 25°C). Dies wird oft als Konzentration angegeben (z.B. in mol/l oder g/l.
Ein See friert im Winter zu. Warum gefriert er von oben nach unten und ihr umgekehrt, sodass Fische am Grund überleben können?
Das liegt an der Dichteanomalie des Wassers. Wasser hat seine größte Dichte bei 4°C. Das bedeutet, 4°C warmes Wasser ist am schwersten und sinkt auf den Grund. Kälteres Wasser und Eis (bei 0°C) sind leichter und bleiben bzw. Schwimmen an der Oberfläche. So bildet sich eine isolierende Eisschicht, unter der das Leben weiter existieren kann.
Was sind Wasserstoffbrückenbindungen und warum sind sie für die besonderen Eigenschaften von Wasser so entscheidend?
Es sind besonders starke, zwischenmolekulare Anziehungskräfte zwischen dem positiven Wasserstoff-Ende eines Wassermoleküls und dem negativen Sauerstoff-Ende eines anderen. Sie sind der Hauptgrund für viele “anormale” Eigenschaften von Wasser:
Den hohen Siedepunkt
Die hohe Oberflächenspannung
Die Dichteanomalie (wegen der Gitterstruktur im Eis)
Was ist das Besondere an der Schmelzdruckkurve (Grenzlinie-fest-flüssig) im Phasendiagramm von Wasser im Vergleich zu den meisten anderen Stoffen?
Wie ist der pH-Wert definiert und was bedeutet ein pH-Wert von 7?
Der pH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der H+-Ionen-Konzentration.
Formel:
pH = -log[H^+].
Ein pH-Wert von 7 bedeutet, dass die Konzentration von H^+ und OH^- Ionen gleich ist (10^{-7} mol/l), die Lösung ist also neutral.
Warum Streit man im Winter Salz auf die Straßen?
Das Auflösen von Salz in Wasser führt zu einer Gefrierpunktserniedrigung. Dies ist eine colligative Eigenschaft, d.h. sie hängt nur von der Anzahl der gelösten Teilchen ab, nicht von ihrer Art. Die Salzionen stören die Bildung der geordneten Eiskristallstruktur, sodass eine niedrigere Temperatur erforderlich ist, damit das Wasser gefriert.
Wie verändert sich die Löslichkeit von Gasen (z.B. Sauerstoff) in Wasser, wenn die … Temperatur steigt? Der Druck steigt?
Temperatur steigt - Die Löslichkeit von Gasen sinkt.
Eine warme Cola verliert schneller ihre Kohlensäure.
Druck steigt - Die Löslichkeit von Gasen steigt
Du hast einen Kanister Benzin, der im kühlen Keller steht. Was passiert mit dem Volumen unser Dichte des Benzins, wenn du den Kanister an einem heißen Sommertag nach draußen stellst? (Die Maße bleibt dabei natürlich gleich)
Durch die Erwärmung bewegen sich die Teilchen schneller und brauchen mehr Platz, das Volumen steigt an. Da die Maße konstant ist, aber das Volumen zunimmt, sinkt die Dichte.
Mit welcher Fomel berechnest du die Volumenänderung ∆V einer Flüssigkeit bei einer Temperaturänderung ∆T?
Ein Techniker befüllt einen 10.000 - Liter-Lagertank bei 0°C “randvoll” mit Ethanol und verschließt alle Ventile. Im Sommer erwärmt sich der Tank auf 40°C. Warum ist das eine extrem gefährliche Situation und was wird wahrscheinlich passieren?
Das ist extrem gefährliche, weil sich das Ethanoldurch die Erwärmung ausdehnt (um ca. 440 Liter!). Da Flüssigkeiten nahezu inkrompressibel sind, kann das zusätzliche Volumen nicht komprimiert werden. Es entsteht ein gewaltiger hydraulischer Drucken der den Tank überlastet und zu einer Leckage oder sogar einer Expplosion führen kann. Deshalb dürfen Lagertanks niemals randvoll befüllt werden!
Welche zwei grundlegenden Sicherheitsvorkehrungen sind bei der Lagerung von Flüssigkeiten in Tanks unerlässlich, um die Gefahren aus Überfüllung und Druckanstieg zu vermeiden?
Absicherung vor Überfüllung: Sensoren und automatische Abschaltungen, die verhindern, dass der maximal zulässige Füllegrad überschritten wird.
Absicherung vor unzulässigem Druckanstieg: Druckentlastungsventilie, die sich öffnen und das Gas/Flüssigkeit ablassen, bevor der Tank durch zu hohen Druck bersten kann.
Zuletzt geändertvor 4 Tagen
