Aggregatzustände einfach erklärt: fest, flüssig, gasförmig

Alles um dich herum besteht aus Stoffen. Ein Stoff ist das Material, aus dem etwas ist: Wasser, Holz, Zucker oder Luft. Viele Stoffe können fest, flüssig oder gasförmig sein. Diese Zustände heißen Aggregatzustände.

Die drei klassischen Aggregatzustände kennst du vom Wasser:

• fest: Eis aus dem Gefrierfach
• flüssig: Wasser aus dem Hahn
• gasförmig: Wasserdampf, unsichtbar in der Luft

Eis, Wasser und Wasserdampf sind derselbe Stoff. Nur der Zustand ist ein anderer. Wenn Eis schmilzt, entsteht also kein neuer Stoff. Das ist eine physikalische Änderung und keine chemische Reaktion. Bei einer chemischen Reaktion entsteht ein neuer Stoff, zum Beispiel Asche, wenn Holz verbrennt. Auch die Menge bleibt gleich: Aus 100 Gramm Eis werden 100 Gramm Wasser.

Wasser ist dabei etwas Besonderes. Auf der Erde kommt es in der Natur in allen drei Zuständen vor. Du kennst es als Eis und Schnee, als Regen und als Wasserdampf.

Woran erkennst du den Zustand? Achte auf Form und Volumen. Das Volumen ist der Platz, den ein Stoff einnimmt.

Ein Gas kannst du außerdem zusammendrücken. Manche Gase werden dabei sogar flüssig. In einem Einwegfeuerzeug ist das Gas Butan so stark zusammengepresst, dass es flüssig ist.

Bei Raumtemperatur, also bei etwa 20 °C, ist Zucker fest, Wasser flüssig und Sauerstoff gasförmig. Warum das so ist, erklärt das Teilchenmodell im nächsten Abschnitt.

Jeder Stoff besteht aus winzigen Teilchen. Das können Atome sein oder Moleküle. Ein Molekül ist eine feste Gruppe aus Atomen. Ein Wasserteilchen ist so ein Molekül. Die Teilchen sind viel zu klein, um sie zu sehen. Deshalb nutzt man ein Teilchenmodell. Darin stellst du dir jedes Teilchen als kleine Kugel vor.

Zwei Dinge musst du dir merken:

• Die Teilchen ziehen sich gegenseitig an. Diese Anziehung hält sie zusammen.
• Die Teilchen bewegen sich ständig. Je wärmer der Stoff ist, desto schneller sind sie.

Zwischen den Teilchen ist nichts, also leerer Raum. Welcher Zustand vorliegt, hängt davon ab, was stärker ist: die Anziehung oder die Bewegung. Jeden Zustand beschreibst du mit drei Merkmalen. Das sind Anordnung, Abstand und Bewegung der Teilchen.

In einem Feststoff liegen die Teilchen dicht an dicht. Jedes sitzt auf einem festen Platz. Zusammen bilden sie ein regelmäßiges Muster, ein Gitter. Die Teilchen schwingen nur hin und her. Ihren Platz verlassen sie nicht. Deshalb hat ein Feststoff eine eigene Form.

Es gibt auch Feststoffe ohne diese Ordnung, zum Beispiel Glas oder Kerzenwachs. Man nennt sie amorph. Sie werden nicht bei einer bestimmten Temperatur flüssig. Beim Erwärmen werden sie nach und nach weich.

In einer Flüssigkeit liegen die Teilchen immer noch nah beieinander. Sie haben aber keine festen Plätze mehr. Sie gleiten aneinander vorbei. Deshalb kann eine Flüssigkeit fließen. Sie passt sich der Form des Gefäßes an. Ihr Volumen bleibt aber gleich, denn die Teilchen halten noch zusammen.

In einem Gas sind die Teilchen weit voneinander entfernt. Sie fliegen schnell und kreuz und quer durch den Raum. Dabei stoßen sie immer wieder zusammen und prallen an die Wände. Dazwischen fliegen sie frei geradeaus. Die Anziehung spielt kaum noch eine Rolle. Deshalb verteilt sich ein Gas im ganzen Raum. Das merkst du beim Backen: Bald riecht es im ganzen Haus nach Kuchen.

Merke: Die Teilchen selbst ändern sich nicht. Ein Wasserteilchen im Dampf ist dasselbe Wasserteilchen wie im Eis und genauso groß. Nur der Abstand zu den anderen wächst.

Ein Stoff wechselt seinen Zustand, wenn du ihn erwärmst oder abkühlst. Jeder Wechsel hat einen eigenen Namen. Fachleute bezeichnen ihn als Phasenübergang oder Aggregatzustandsänderung. Es gibt sechs Übergänge. Sie bilden drei Paare aus Hinweg und Rückweg.

Eine Merkhilfe: Auf dem Weg von fest über flüssig zu gasförmig nimmt der Stoff Wärme auf. Auf dem Rückweg gibt er Wärme ab.

Beim Schmelzen wird ein Feststoff flüssig. Durch die Wärme schwingen die Teilchen immer stärker. Irgendwann verlassen sie ihre festen Plätze. Beim Erstarren läuft es andersherum. Eine Flüssigkeit kühlt ab und wird fest. Bei Wasser sagt man dazu auch Gefrieren.

Auch flüssiges Gestein erstarrt, wenn es abkühlt. Wie aus Lava festes Gestein wird, zeigt der Artikel Wie entsteht ein Vulkan?.

Verdampfen heißt: Eine Flüssigkeit wird zum Gas. Das geht auf zwei Wegen.

• Sieden: Die Flüssigkeit ist so heiß, dass sich mitten in ihr Dampfblasen bilden. Die Blasen steigen auf und platzen an der Oberfläche. Im Alltag sagst du dazu Kochen.
• Verdunsten: Nur an der Oberfläche lösen sich einzelne Teilchen. Das geht auch weit unter der Siedetemperatur. So trocknet eine Pfütze, ohne zu kochen.

Wärme hilft beim Verdunsten. Trockene Luft hilft auch. In feuchter Luft verdunstet Wasser langsamer.

Beim Kondensieren wird ein Gas wieder flüssig. Das passiert, wenn Dampf abkühlt. Ein Beispiel sind die Tropfen innen am Topfdeckel. Auch Tau und Nebel entstehen so. Kühlt feuchte Luft ab, wird ein Teil des Wasserdampfs zu winzigen Tröpfchen.

Manche Stoffe überspringen den flüssigen Zustand. Beim Sublimieren wird ein Feststoff direkt zum Gas. Ein Beispiel ist Trockeneis, also festes Kohlendioxid. Bei normalem Luftdruck wird es nie flüssig. Es wird immer kleiner und geht direkt in Gas über. Auch Schnee geht diesen Weg. Bei Frost schrumpft ein Schneehaufen langsam, obwohl er nicht taut. Wind beschleunigt das.

Beim Resublimieren wird ein Gas direkt fest. So entsteht Reif: Wasserdampf aus der Luft wird an kalten Flächen sofort zu Eis.

Jeder Stoff hat eigene Temperaturen für seine Übergänge. Die Schmelztemperatur ist die Temperatur, bei der ein Feststoff flüssig wird. Bei derselben Temperatur erstarrt die Flüssigkeit auch wieder. Die Siedetemperatur ist die Temperatur, bei der sich in der ganzen Flüssigkeit Dampfblasen bilden.

Beide Werte hängen vom Druck ab. Darum gibt man sie meist für Normaldruck an. Das ist der mittlere Luftdruck auf Meereshöhe: 1013,25 Hektopascal (hPa). Für Wasser gilt bei Normaldruck: Eis schmilzt bei 0 °C. Wasser siedet bei 100 °C.

So liest du die Tabelle: Unter der Schmelztemperatur ist ein Stoff fest. Zwischen beiden Werten ist er flüssig. Über der Siedetemperatur ist er gasförmig. Bei 20 °C ist Sauerstoff deshalb ein Gas, Quecksilber ist flüssig und Blei fest.

Weniger Druck heißt: niedrigere Siedetemperatur. In den Bergen ist der Luftdruck geringer. In einer Stadt auf etwa 3.100 m Höhe siedet Wasser schon bei etwa 90 °C. Das Wasser wird also nicht so heiß, und Nudeln brauchen länger.

Im Schnellkochtopf ist es umgekehrt. Der Deckel hält den Dampf zurück, und der Druck steigt. Das Wasser bleibt über 100 °C flüssig. Deshalb gart das Essen schneller.

Später begegnet dir vielleicht das Phasendiagramm. Es zeigt für einen Stoff, bei welchem Druck und welcher Temperatur er fest, flüssig oder gasförmig ist. An einem Punkt treffen alle drei Bereiche zusammen. Dort gibt es den Stoff fest, flüssig und gasförmig zugleich. Dieser Punkt heißt Tripelpunkt.

Bei Wasser liegt der Tripelpunkt bei sehr geringem Druck. Darunter kann Wasser nicht flüssig sein. Das nutzt man beim Gefriertrocknen von Lebensmitteln. Das gefrorene Wasser darin wird direkt zu Dampf.

Stell dir vor, du erhitzt Eis aus dem Gefrierfach gleichmäßig. Alle paar Sekunden misst du die Temperatur. Die Werte trägst du in ein Diagramm ein. Heraus kommt eine Kurve mit zwei waagerechten Stufen.

1. Eis wird wärmer. Es startet zum Beispiel bei −20 °C und bleibt fest.
2. Eis schmilzt. Bei 0 °C bleibt die Temperatur stehen. Eis und Wasser sind gemischt. Erst wenn alles geschmolzen ist, steigt sie weiter.
3. Wasser wird wärmer, bis es 100 °C erreicht.
4. Wasser siedet. Wieder bleibt die Temperatur gleich, bis alles Wasser verdampft ist.
5. Der Dampf wird heißer.

Warum bleibt die Temperatur zweimal stehen? Die Wärme wird in dieser Zeit für den Übergang gebraucht. Sie löst die Teilchen voneinander. Schneller werden die Teilchen dabei nicht. Deshalb steigt auch die Temperatur nicht.

Verdampfen braucht viel mehr Energie als Schmelzen. Energie misst man in Joule (J). 1.000 J sind ein Kilojoule (kJ). Um 1 kg Eis bei 0 °C zu schmelzen, braucht man 334 kJ. Um 1 kg Wasser bei 100 °C zu verdampfen, braucht man 2.256 kJ. Das ist fast siebenmal so viel. Darum ist die Stufe bei 100 °C in Wirklichkeit die längste.

Andersherum gilt dasselbe: Kondensiert Dampf, gibt er diese Wärme wieder ab.

Im Winter kommst du von draußen ins Warme. Plötzlich siehst du durch deine Brille nichts mehr. Die Gläser sind noch kalt. In der warmen Luft steckt unsichtbarer Wasserdampf. An den kalten Gläsern kühlt er ab und kondensiert zu winzigen Tröpfchen. Nach dem Duschen siehst du dasselbe am Spiegel.

An kalten Morgen sind Gras und Autoscheiben manchmal weiß. Das ist Reif. Wasserdampf aus der Luft wird an den kalten Flächen direkt zu Eis. Das ist Resublimieren. Besonders schön ist Raureif: weiße Eisnadeln an Zweigen und Zäunen. Er bildet sich vor allem bei feuchter Luft, wenig Wind und meist unter −8 °C.

Nasse Wäsche wird auf der Leine trocken, ohne dass das Wasser kocht. Es verdunstet. An warmen und trockenen Tagen geht das schneller. Bei feuchtem, kühlem Wetter dauert es länger.

Sprühst du Deo auf die Haut, wird die Stelle kalt. Der Inhalt der Dose verdampft auf der Haut sehr schnell. Dafür braucht er Wärme. Die nimmt er deiner Haut weg.

Ärzte beschrieben 2010 zwei Fälle mit leichten Kälteverbrennungen durch Deospray. Gesprüht wurde aus etwa 5 cm Abstand, ungefähr 15 Sekunden lang. Im Labor sank die Temperatur durch das Spray um mehr als 60 Grad. Sprüh also nie lange aus der Nähe auf dieselbe Stelle.

Beim Sport schwitzt du. Der Schweiß verdunstet auf der Haut und nimmt dabei Wärme mit. So kühlt dein Körper sich ab. Bei schwüler Luft klappt das schlechter. Dann verdunstet weniger, und es fühlt sich heißer an.

Trockeneis ist festes Kohlendioxid. Lässt du ein Stück bei Raumtemperatur liegen, wird es immer kleiner. Eine Pfütze bleibt nicht zurück. Es sublimiert, geht also direkt vom festen in den gasförmigen Zustand über. Fass Trockeneis nie mit bloßen Händen an. Es ist sehr kalt.

Bei den meisten Stoffen ist der feste Zustand dichter als der flüssige. Dichte heißt: wie viel Masse in einem bestimmten Volumen steckt. Wasser ist eine Ausnahme. Im Eis bilden die Wasserteilchen ein Gitter mit mehr Platz zwischen ihnen. Eis ist deshalb knapp ein Zehntel weniger dicht als flüssiges Wasser. Darum schwimmt Eis oben. Etwa ein Zehntel eines Eiswürfels oder Eisbergs schaut aus dem Wasser.

Am dichtesten ist Wasser bei etwa 4 °C. Im Winter sinkt dieses Wasser in einem See nach unten. Kälteres Wasser bleibt oben und gefriert dort. So friert ein See von oben zu und nicht vom Grund aus. Diese Besonderheit heißt Dichteanomalie des Wassers.

Wird ein Gas noch viel stärker erhitzt, ändert es sich noch einmal. Die Atome verlieren Elektronen. Das sind winzige, elektrisch geladene Bausteine der Atome. Übrig bleiben geladene Teilchen. Diesen Zustand nennt man Plasma. Oft bezeichnet man ihn als den vierten Aggregatzustand.

Plasma leuchtet in Blitzen, in elektrischen Funken und in Neonröhren. Auch die Sonne und alle anderen Sterne bestehen aus Plasma. In der Schule geht es meist um die drei klassischen Zustände. Wie Atome aus Protonen, Neutronen und Elektronen aufgebaut sind, erklärt der Artikel zum Periodensystem.

In Reaktionsgleichungen, also den Formeln für chemische Reaktionen, steht der Zustand oft in Klammern hinter dem Stoff. Die Abkürzungen kommen aus dem Englischen.

H₂O(s) ist also Eis, H₂O(l) flüssiges Wasser und H₂O(g) Wasserdampf. Eine wässrige Lösung mit (aq) ist zum Beispiel Salzwasser. Wie sauer oder basisch so eine Lösung ist, zeigt der pH-Wert.

Die Übergänge heißen auf Englisch melting, freezing, vaporization, condensation, sublimation und deposition. Die Reihenfolge ist dieselbe wie in der Tabelle der Übergänge oben.

Wann das Thema drankommt, regelt jedes Bundesland selbst. Auch der Name des Fachs ist verschieden. Ein Beispiel ist der Bildungsplan für das Gymnasium in Baden-Württemberg. Dort beschreiben die Schüler in Klasse 5/6 im Fach BNT, was beim Erwärmen und Abkühlen von Wasser passiert. BNT steht für Biologie, Naturphänomene und Technik. Sie messen dabei den Temperaturverlauf und bestimmen die Siedetemperatur. In Chemie, Klasse 8 bis 10, erklären sie die Aggregatzustände dann mit dem Teilchenmodell.

Schau am besten in dein Schulbuch. Dort siehst du, welche Begriffe dein Lehrer erwartet.

Die Aufgaben 1 bis 9 prüfen das Grundwissen. Ab Aufgabe 10 erklärst du Dinge aus dem Alltag. Schreib deine Antworten erst auf. Vergleiche danach mit den Lösungen.

1. Nenne die drei klassischen Aggregatzustände. Gib zu jedem ein Beispiel aus der Küche an.
2. Welcher Zustand passt? a) Der Stoff behält seine Form. b) Er passt sich dem Gefäß an, behält aber sein Volumen. c) Er füllt jeden Raum aus.
3. Benenne die Übergänge: Eis wird zu Wasser. Wasser wird zu Eis. Wasser wird zu Dampf. Dampf wird zu Wasser.
4. Wie heißt das Gegenteil von Schmelzen? Wie heißt der Übergang von fest direkt zu gasförmig?
5. Beschreibe die Teilchen in einem Eiswürfel: Anordnung, Abstand und Bewegung.
6. Wasser verdampft. Was ändert sich an den Wasserteilchen selbst?
7. Bei welcher Temperatur schmilzt Eis bei Normaldruck? Bei welcher Temperatur siedet Wasser?
8. Ethanol schmilzt bei −114 °C und siedet bei 78 °C. Welchen Zustand hat Ethanol bei 20 °C, bei −120 °C und bei 90 °C?
9. Quecksilber schmilzt bei −39 °C und siedet bei 357 °C. Ist es bei 20 °C fest, flüssig oder gasförmig?
10. Das Wasser im Topf kocht. Du heizt weiter. Was zeigt das Thermometer im Wasser, solange noch Wasser im Topf ist?
11. In der Temperaturkurve läuft die Linie bei 0 °C eine Weile waagerecht. Was passiert dort?
12. Eine Pfütze trocknet bei 15 °C. Siedet das Wasser? Wie heißt der Vorgang?
13. Du kommst im Winter in ein warmes Haus. Deine Brille beschlägt. Erkläre.
14. An einem kalten Morgen sitzen weiße Eisnadeln an Zweigen. Welcher Übergang hat sie gebildet?
15. Über einem Topf mit kochendem Wasser siehst du weiße Schwaden. Ist das Wasserdampf?
16. Warum schwimmt Eis auf Wasser?
17. In einer Stadt in den Bergen, auf etwa 3.100 m Höhe, siedet Wasser schon bei etwa 90 °C. Warum?
18. Nach dem Sport stehst du im nassen T-Shirt draußen. Dir wird kalt. Erkläre mit dem Wort Verdunsten.

1. Fest, flüssig und gasförmig. Ein Eiswürfel oder Zucker ist fest. Wasser oder Speiseöl ist flüssig. Die Luft in der Küche ist gasförmig, ebenso der unsichtbare Wasserdampf direkt über kochendem Wasser.
2. a) fest, b) flüssig, c) gasförmig.
3. Schmelzen, Erstarren, Verdampfen, Kondensieren. Statt Erstarren sagt man bei Wasser auch Gefrieren.
4. Erstarren ist das Gegenteil von Schmelzen. Von fest direkt zu gasförmig heißt Sublimieren.
5. Die Teilchen sind regelmäßig angeordnet. Sie liegen dicht beieinander. Sie schwingen nur um ihren festen Platz.
6. Nichts. Es bleiben dieselben Wasserteilchen. Nur ihr Abstand, ihre Anordnung und ihre Bewegung ändern sich.
7. Eis schmilzt bei 0 °C. Wasser siedet bei 100 °C.
8. Bei 20 °C ist es flüssig. Bei −120 °C ist es fest. Bei 90 °C ist es gasförmig.
9. Flüssig. 20 °C liegt zwischen der Schmelztemperatur und der Siedetemperatur.
10. Etwa 100 °C, bei Normaldruck. Die Temperatur steigt nicht weiter. Die Wärme wird gebraucht, um Teilchen aus der Flüssigkeit zu lösen.
11. Das Eis schmilzt. Eis und Wasser sind gemischt. Die Temperatur bleibt bei 0 °C, bis alles Eis geschmolzen ist.
12. Nein. Der Vorgang heißt Verdunsten. Einzelne Teilchen lösen sich an der Oberfläche, auch weit unter 100 °C.
13. In der warmen Luft ist unsichtbarer Wasserdampf. Er trifft auf die kalten Brillengläser und kühlt ab. Dort kondensiert er zu winzigen Tröpfchen.
14. Resublimieren. Wasserdampf aus der Luft wird direkt zu Eis, ohne vorher flüssig zu werden. Die Eisnadeln heißen Raureif.
15. Nein. Wasserdampf ist ein unsichtbares Gas. Die weißen Schwaden sind winzige Wassertröpfchen. Der Dampf ist in der kühleren Luft schon wieder kondensiert.
16. Eis hat eine kleinere Dichte als flüssiges Wasser. Es ist knapp ein Zehntel weniger dicht. Diese Besonderheit heißt Dichteanomalie.
17. Dort oben ist der Luftdruck niedriger. Bei niedrigerem Druck siedet Wasser schon bei einer niedrigeren Temperatur.
18. Das Wasser im T-Shirt verdunstet. Dafür braucht es Wärme. Einen Teil davon nimmt es deiner Haut weg. Deshalb kühlt sie ab.

Arbeitsblatt zu den Aggregatzuständen als PDF herunterladen. Auf Seite 1 steht ein Spickzettel mit allen Übergängen und Temperaturen. Auf den Seiten 2 und 3 findest du die 18 Aufgaben mit Platz zum Schreiben. Auf Seite 4 stehen die Lösungen.

Schritt 1: Zeichne das Dreieck mit fest, flüssig und gasförmig aus dem Kopf. Trag alle sechs Übergänge ein.

Schritt 2: Male für jeden Zustand ein Kästchen mit Teilchen. Erkläre dazu Anordnung, Abstand und Bewegung.

Schritt 3: Zeichne die Temperaturkurve aus dem Kopf. Erkläre laut, warum sie zweimal waagerecht läuft.

Schritt 4: Löse die Aufgaben 10 bis 18 noch einmal ohne Lösungen. Vergleiche erst am Ende.

Beim lauten Erklären hilft dir die Feynman-Technik. Warum das Abfragen ohne Lösungen so gut wirkt, steht in Active Recall statt Wiederlesen.

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