11.1: Molekularer Vergleich von Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen

Partikel in einem Festkörper sind dicht aneinander gepackt (feste Form) und oft in einem regelmäßigen Muster angeordnet; in einer Flüssigkeit sind sie dicht beieinander ohne regelmäßige Anordnung (keine feste Form); in einem Gas sind sie weit voneinander entfernt und haben keine regelmäßige Anordnung (keine feste Form). Partikel in einem Festkörper schwingen um feste Positionen (können nicht fließen) und bewegen sich in der Regel nicht zueinander; In einer Flüssigkeit bewegen sie sich aneinander vorbei (können fließen), bleiben aber im Wesentlichen in ständigem Kontakt; In einem Gas bewegen sie sich unabhängig voneinander (können fließen und sich ausdehnen), es sei denn, sie kollidieren.

Die Unterschiede in den Eigenschaften eines Festkörpers, einer Flüssigkeit oder eines Gases spiegeln die Stärke der Anziehungskräfte zwischen den Atomen, Molekülen oder Ionen wider, aus denen jede Phase besteht. Die Phase, in der sich eine Substanz befindet, hängt von den relativen Ausmaßen ihrer intermolekularen Kräfte (IMFs) – elektrostatische Anziehungskräfte, die zwischen den Atomen und Molekülen einer Substanz bestehen – und den kinetischen Energien (KE) ihrer Moleküle ab. Während IMFs dazu dienen, Teilchen dicht beieinander zu halten, liefert das KE der Teilchen die Energie, die benötigt wird, um die Anziehung zu überwinden und so den Abstand zwischen den Teilchen zu vergrößern. In einer Flüssigkeit zum Beispiel halten anziehende intermolekulare Kräfte die Moleküle in Kontakt, obwohl sie immer noch genügend KE haben, um sich aneinander vorbeizubewegen. Dadurch fließen Flüssigkeiten und nehmen die Form ihres Behälters an.

Nach der kinetisch-molekularen Theorie (KMT) ist die Temperatur einer Substanz proportional zur durchschnittlichen KE ihrer Teilchen. Die Änderung der durchschnittlichen kinetischen Energie (Temperatur) induziert Änderungen des Aggregatzustands und die damit verbundenen Änderungen der intermolekularen Kräfte. Wenn beispielsweise gasförmiges Wasser ausreichend gekühlt wird oder die durchschnittliche kinetische Energie von Molekülen reduziert wird, kann die erhöhte Anziehungskraft zwischen_{H2O-Molekülen}sie zusammenhalten, wenn sie miteinander in Kontakt kommen. Das Gas kondensiert und bildet die Flüssigkeit H₂O. Wenn die Flüssigkeit H₂O weiter abgekühlt wird, werden die Anziehungskräfte stärker und das Wasser gefriert zu festem Eis.

In Fällen, in denen die Temperaturen nicht zu hoch sind, können sich Gase durch Verdichtung (hoher Druck) verflüssigen. Gase weisen sehr schwache Anziehungskräfte auf, aufgrund derer die Teilchen über große Entfernungen auseinander gestreut werden. Durch den erhöhten Druck kommen die Moleküle eines Gases näher zusammen, so dass die Anziehungskraft zwischen den Molekülen relativ zu ihrem KE stark wird. Folglich bilden sie Flüssigkeiten. Butan, C₄H₁₀, ist der Brennstoff, der in Einwegfeuerzeugen verwendet wird, und ist ein Gas mit Standardtemperatur und -druck. Im Kraftstoffraum des Feuerzeugs wird das Butan auf einen Druck gepresst, der zu einer Kondensation im flüssigen Zustand führt. Wenn die Temperatur einer Flüssigkeit ausreichend niedrig wird oder der Druck auf die Flüssigkeit ausreichend hoch wird, haben die Moleküle der Flüssigkeit nicht mehr genügend KE, um den IMF zwischen ihnen und einem Feststoff zu überwinden.

Dieser Text ist eine Adaption von Openstax, Chemie 2e, Kapitel 10: Flüssigkeiten und Feststoffe.