Hi guys!

The topic of today is another post about basics, which we can find in our daily life again and again.

Today’s topic

With this article, we would like to have a deeper look on the states of matter and what will happen if we mix different substances.

States of matter

We can differentiate the three classical states of matter solid, liquid and gaseous. Needless to say, that there is another state called plasma, but we don´t want to speak about this today.

Influences on the states of matter

Basically, all substances can exist in all three states. Which one is present is mainly influenced by the atmospheric pressure and the respective temperature. We all have seen this phenomenon in the case of water. It is one of the few substances to which we may have contact in all the states regularly. If we cool it down in a freezer below 0 °C, it becomes solid. After thawing, it will be liquid again. We may heat it now in a pot and see it getting gaseous at about 100 °C. Though, this is only the case at normal pressure (thus meaning 1013 mbar which is about our normal pressure in middle Europe). In the article about ice-skating we have learned how to get liquid water below 0 °C and its pressure dependence. Furthermore, boiling of water is possible at lower temperatures in the high mountains at lower atmospheric pressure. If we increase pressure instead, like we do in a pressure cooker, we may have liquid water above 100 °C.

To get some substances in a liquid or even solid state (e.g. helium), we need extremely low temperatures (near absolute zero) and/or high pressure. For liquefying others – not to mention vaporizing – very high temperatures are needed (e.g. tungsten melts above 3400 °C). Further substances (especially biological ones) will never become liquid or gaseous but the decompose instead (think e.g. about wood that is burned).

Changing the states of matter

We know from everyday life the transformations solid – liquid or liquid – gaseous. The change from solid state to liquid state is called melting (or thawing when we talk about ice) and the reverse process is called freezing. If a liquid becomes gaseous, we call it vaporization (for water, also boiling is used) und the opposite is condensation. The associated temperatures are the melting (or freezing) and boiling point.

The change directly between solid and gaseous – without preliminary melting – may be less known. It is called sublimation and the reverse act deposition. Perhaps, you have noticed this phenomenon at substances like dry ice (solid carbon dioxide), iodine or even ice. The latter will disappear over time, even if the temperature is below the freezing point and it cannot melt (it is more likely on windy days with low humidity).

Mixtures

If we mix two different substances, we will generally get one of two results. We assume that the agents don’t react with each other resulting in a new substance. If this would be the case, we will not have a mixture anymore, thus meaning we will not be able to separate the ingredients by physical (e.g. filtration, distillation or centrifugation) or chemical (by using the properties or reaction behavior) techniques.

We can differ both possibilities for mixtures as follows: On the one hand, we have a homogenous mixture, meaning that the substances are mixed on the level of atoms and molecules. They consist of only one phase, i.e. we are not able to see by eye if there are one or more agents.
On the other hand, we have heterogenous mixtures. Here, we can often easily see that the substances are not molecular mixed and we can identify two phases. We can see the both agents separately either by eye or e.g. with a microscope.

Nomenclature of the mixtures

In general, we can mix substances of all three states of matter, resulting in the following combinations with their particular names:

Solid in solid

The homogenous mixture is called an alloy, like bronze or brass. If it is heterogenous, we call it mixture in the very sense, e.g. gravel or sand.

Liquid in solid

Homogenous mixtures of this type are clay materials. Heterogenous mixtures are wet sponges.

Gaseous in solid

We can identify homogenous mixtures like hydrogen gas dissolving in some metal like palladium. For heterogenous mixtures, we have solid foam, e.g. pumice.

Soild in liquid

Typical homogenous mixtures are solutions of salts. If the solid is still there, we call it a suspension, like blood (the solid components in this case are cells and proteins).

Liquid in liquid

The homogenous version is again called solution. Examples are alcoholic drinks where ethanol is dissolved in water. If the mixture is heterogenous, we call it an emulsion like milk, mayonnaise or a vinaigrette consisting of oil and water.

Gaseous in liquid

Everyone has seen the heterogenous mixture of this type while bathing, washing or drinking a cool beer: it is called a foam. Homogenous mixtures are also called solution, like oxygen dissolved in water.

Solid in gaseous

Here, we have only heterogenous mixtures, which are called smoke or solid aerosol. We find it e.g. on smoking cigarettes or burning wood. There are always small particles like ash in the air.

Liquid in gaseous

Again, there are only heterogenous mixtures. In this case, we call them fog, vapor or liquid aerosol. They can be found e.g. on boiling water or in the early morning at sunrise.

Gaseous in gaseous

The last combination has only homogenous mixtures, because all gases can be easily mixed with each other. We just call them a gas mixture. A well-known example is air, which consists of nitrogen, oxygen and some other gases.

Terminating for now

I think that today, we have learned some terms for things that we already know from our everyday life. Perhaps, you think about them the next time you walk in the foggy forest or stand in the smoke at your next barbecue.

See you next time! Like always: feel free to submit your ideas and suggestions for new topics!

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Hi Leute!

Heute gibt es wieder einen kleinen Artikel über Grundlagen, denen man auch im Alltag immer wieder begegnet.

Heutiges Thema

Wie wollen uns in diesem Artikel anschauen, welche Aggregatzustände es gibt und was passieren kann, wenn man Stoffe miteinander mischt.

Aggregatzustände

Die drei klassischen Aggregatzustände sind fest, flüssig und gasförmig. Es gibt auch noch weitere, wie beispielsweise das Plasma, welches wir heute aber nicht weiter betrachten wollen.

Beeinflussung des Aggregatzustands

Grundsätzlich können alle Stoffe in diesen drei Aggregatzuständen vorkommen. Welcher von ihnen vorliegt, hängt maßgeblich vom äußeren Druck und der jeweiligen Temperatur ab. Dieses Phänomen haben wir alle beim Wasser schon einmal selbst beobachten können. Es ist einer der wenigen Stoffe, bei dem wir im Alltag regelmäßig mit allen drei Zuständen in Kontakt kommen können. Geben wir es beispielsweise in eine Gefriertruhe und kühlen es unter 0 °C ab, wird es fest. Beim erneuten Auftauen wird es wieder flüssig und geben wir es nun in einen Kochtopf und erhitzen es, wird es bei etwa 100 °C gasförmig. Dies gilt allerdings nur bei Normaldruck (also bei 1013 mbar, was etwa unserem normalen Luftdruck in Mitteleuropa entspricht). Wie wir auch unter 0 °C flüssiges Wasser erhalten können und wie dies vom Druck abhängt, haben wir schon im Artikel über das Schlittschuhlaufen gesehen. Außerdem ist es auch möglich, dass Wasser bereits bei geringeren Temperaturen anfängt zu sieden, wie beispielsweise im Hochgebirge bei niedrigem Luftdruck. Erhöht man jedoch den Druck, wie es in Schnellkochtöpfen ausgenutzt wird, kann der Siedepunkt erhöht werden wodurch das Wasser auch bei Temperaturen über 100 °C noch flüssig bleibt.

Um einige Stoffe flüssig oder gar fest zu bekommen (z.B. Helium) sind extrem niedrige Temperaturen (nahe dem absoluten Nullpunkt) und/oder hoher Druck nötig, andere dagegen können wir nur schwierig verflüssigen (z.B. Wolfram erst bei über 3400 °C), geschweige denn verdampfen. Wieder andere Substanzen (vor allem biologischer Herkunft) werden gar nicht flüssig oder gasförmig sondern vorher zerstört (denkt z.B. an Holz, das verbrennt).

Umwandlung der Aggregatzustände

Aus dem Alltag ist uns in den meisten Fällen die Umwandlung fest – flüssig oder flüssig – gasförmig bekannt. Der Übergang vom festen in den flüssigen Aggregatzustand bezeichnen wir als schmelzen (bei Eis auch tauen) bzw. den umgekehrten Fall erstarren. Wird eine Flüssigkeit gasförmig so nennen wir es sieden (oder verdampfen, umgangssprachlich bei Wasser auch kochen) und das Gegenteil kondensieren. Die zugehörigen Temperaturen heißen Schmelz- (oder Gefrier-) und Siedepunkt oder -temperatur.

Etwas weniger bekannt dürfte die Umwandlung von fest nach gasförmig – ohne vorheriges schmelzen – sein. Man bezeichnet diese als sublimieren und den umgekehrten Vorgang resublimieren. Substanzen, bei denen ihr das Phänomen vielleicht schonmal bemerkt habt, sind Trockeneis (festes Kohlenstoffdioxid), Iod oder auch bei Eis. Das wird nämlich auch mit der Zeit, besonders an windigen Tagen mit niedriger Luftfeuchtigkeit, weniger, selbst wenn die Temperaturen unter dem Gefrierpunkt bleiben und es daher nicht schmelzen kann.

Mischungen

Wenn man zwei verschiedene Stoffe miteinander mischt, kann man generell zwei Ergebnisse erhalten, vorausgesetzt, dass die Stoffe nicht miteinander reagieren und beispielsweise eine neue Substanz bilden. Denn dann hätten wir kein Gemisch mehr und könnten die Stoffe nicht mehr physikalisch (z.B. durch Filtration, Destillation oder Zentrifugation) oder chemisch (durch Ausnutzen der Stoffeigenschaften und des Reaktionsverhaltens) trennen.

Die beiden Möglichkeiten für Mischungen unterscheiden sich darin, dass man zum einen ein homogenes Gemisch erhält, bei dem die Substanzen auf der Ebene der Atome und Moleküle miteinander vermischt sind. Sie bestehen nur aus einer Phase, d.h. wir können mit bloßem Auge nicht mehr sehen, ob es sich um einen oder mehrere Stoffe handelt.
Im Gegensatz dazu kann man bei einem heterogenen Gemisch oft relativ einfach feststellen, dass die Stoffe nicht molekular vermischt sind und man mehrere Phasen beobachtet. Man kann hier daher beide Substanzen noch getrennt erkennen, ob mit dem Auge oder beispielsweise mit einem Mikroskop.

Benennung der Gemische

Generell können wir Stoffe aller drei Aggregatzustände miteinander mischen. Es ergeben sich dann die folgenden Kombinationsmöglichkeiten mit ihrer jeweiligen Bezeichnung:

Fest in fest

Im homogenen Fall kann man von einer Legierung wie Bronze oder Messing sprechen. Heterogen spricht man von einem Gemenge oder Haufwerk, wie z.B. Sand oder Granit.

Flüssig in fest

Eine homogene Mischung wäre z.B. Ton, der heterogene Fall wären Schwämme.

Gasförmig in fest

Homogen kann sich Wasserstoff in einigen Metallen wie Palladium lösen. Heterogen spricht man von einem Hartschaum, wie z.B. Bimsstein.

Fest in flüssig

Typische homogene Mischungen sind Salzlösungen. Bleibt der Feststoff erhalten, so spricht man von einer Suspension wie beispielsweise Blut (die festen Bestandteile sind in diesem Fall die Zellen und Proteine).

Flüssig in flüssig

Im homogenen Fall spricht man auch hier von einer Lösung, ein Beispiel dafür sind alkoholische Getränke bei denen Ethanol in Wasser gelöst vorliegt. Ist die Mischung heterogen, nennt man sie eine Emulsion wie beispielsweise Milch, Mayonnaise oder Salatsoße aus Öl und Wasser.

Gasförmig in flüssig

Die heterogene Mischung eines Gases in einer Flüssigkeit nennt man einen Schaum und das hat wohl jeder schonmal beim Baden, Spülen oder einem kühlen Bier gesehen. Homogene Mischungen heißen wieder Lösung, wie z.B. in Wasser gelöste Gase wie Sauerstoff.

Fest in gasförmig

In diesem Fall gibt es nur heterogene Gemische. Diese bezeichnet man als Rauch oder festes Aerosol. Man trifft sie z.B. bei Zigaretten und beim Verbrennen von Holz. Hier sind immer kleine Partikel wie Asche fein verteilt in der Luft.

Flüssig in gasförmig

Hier gibt es ebenfalls nur heterogene Gemische, die man Nebel, Dampf oder flüssiges Aerosol nennt. Man findet sie wie die Namen sagen beim Verdampfen von Wasser oder in den Morgenstunden.

Gasförmig in gasförmig

Bei der letzten Kombinationsmöglichkeit gibt es ausschließlich homogene Mischungen, da sich alle Gase gut miteinander mischen lassen. Man nennt sie dann auch einfach Gasgemisch. Ein prominentes Beispiel ist Luft, die unter anderem aus Stickstoff und Sauerstoff besteht.

Zum Abschluss

Ich denke, heute haben wir ein paar Begriffe für Dinge gelernt, die jeder von uns aus dem Alltag bereits kennt. Möglicherweise denkt ihr ja daran, wenn ihr das nächste Mal durch den nebligen Wald spaziert oder beim Grillen im Rauch steht.

In diesem Sinne bis zum nächsten Mal und macht weiterhin gerne Vorschläge für neue Themen!