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.

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).

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