Materialsysteme: Klassifikation, Phasen und Beispiele
Die materiellen Systeme sind alle diejenigen, die sich aus Materie zusammensetzen und vom Rest des zu untersuchenden Universums isoliert sind. Materie ist allgegenwärtig und gibt den Wahrnehmungen des täglichen Lebens Form und echten Sinn. Wenn Sie jedoch einen Teil der Materie studieren möchten, verachten Sie ihre Umgebung und sprechen von einem materiellen System.
Sie sind sehr variabel, da es reine und zusammengesetzte Materialien sowie verschiedene Zustände und Aggregationsphasen gibt. Wie definiere ich die Grenze zwischen dem Materialsystem und seiner Umgebung? Alles hängt von den Variablen ab, die berücksichtigt werden. Zum Beispiel könnte im unteren Bild jede Süßigkeit Murmel das zu untersuchende System sein.
Möchte man jedoch die variable Farbe berücksichtigen, so müssen alle Murmeln des Dispensers berücksichtigt werden. Da die Maschine nicht von Interesse ist, ist dies die Umgebung der Murmeln. Somit wird das Materialsystem des Beispiels die Masse der Murmeln und ihre Eigenschaften (seien es Kaugummi, Minze usw.).
Chemisch sind die Materialsysteme jedoch definiert als alle reinen Substanzen oder Gemische davon, die nach ihren physikalischen Aspekten klassifiziert sind.
Klassifizierung
Homogenes Materialsystem
Das untersuchte Material kann ein einheitliches Erscheinungsbild aufweisen, bei dem seine Eigenschaften unabhängig von der zu analysierenden Probe konstant bleiben. Mit anderen Worten: Diese Art von System zeichnet sich dadurch aus, dass es auf den ersten Blick eine einzige Phase der Materie gibt.
Substanz und reine Verbindungen
Wird eine Reinsubstanz analysiert, so zeigt sich, dass die physikalisch-chemischen Eigenschaften bei gleichen Werten und Ergebnissen übereinstimmen, auch wenn viele Proben (und in unterschiedlichen geografischen Gebieten) entnommen werden.
Wenn zum Beispiel eine Kalziumprobe mit einer aus Asien, Europa, Afrika und Amerika verglichen würde, hätten sie alle die gleichen Eigenschaften. Dasselbe würde passieren, wenn eine Probe reiner Kohle entnommen würde.
Andererseits zeigt eine reine Verbindung auch das oben Erwähnte. Wenn garantiert wird, dass eine Tafel aus einem einzigen Material besteht, wird sie als homogenes Materialsystem klassifiziert.
Dies tritt jedoch bei einer Mineralprobe nicht auf, da sie im Allgemeinen Verunreinigungen aus anderen assoziierten Mineralien enthält und es sich in diesem Fall um ein heterogenes Materialsystem handelt. Auch solche materiellen Systeme wie Bäume, Steine, Berge oder Flüsse fallen in diese letzte Klassifikation.
Auflösung
Handelsüblicher Essig ist eine wässrige Lösung von 5% Essigsäure; Das heißt, 5 ml reine Essigsäure lösen sich in 100 ml Wasser. Sein Aussehen ist jedoch eine transparente Flüssigkeit, obwohl es sich in Wirklichkeit um zwei reine Verbindungen (Wasser und Essigsäure) handelt.
Heterogenes Materialsystem
Im Gegensatz zu dem homogenen System sind bei dieser Art von System weder das Erscheinungsbild noch die Eigenschaften konstant und über die gesamte Ausdehnung unregelmäßig.
Darüber hinaus kann es physikalischen oder chemischen Trenntechniken unterzogen werden, aus denen Phasen extrahiert werden, von denen jede als homogenes System betrachtet wird.
Phasen
Im Bild oben sind die Zustände der Materie und ihre Veränderungen dargestellt. Diese sind eng mit den Phasen der Materie verbunden, da sie, obwohl sie gleich sind, einige subtile Unterschiede aufweisen.
Die Phasen eines Materialsystems sind also der Feststoff, die Flüssigkeit und das Gas. Das heißt, für ein bestimmtes zu analysierendes Thema kann dies jede der vorhergehenden Phasen annehmen.
Da jedoch die Wechselwirkungen in Feststoffen sehr stark sind und diese von Variablen wie Druck und Temperatur abhängen, kann ein System unterschiedliche feste Phasen aufweisen oder nicht.
Beispielsweise hat die bei Raumtemperatur feste Verbindung X eine Phase I; Wenn jedoch der Druck, der auf ihn fällt, sehr hoch ist, ordnen sich seine Moleküle kompakter neu an, und dann tritt ein Übergang von Phase I zu fester Phase II auf.
Es gibt sogar andere Phasen wie III und IV, die sich bei unterschiedlichen Temperaturen von II ableiten. Somit kann das homogene Materialsystem von X einer scheinbaren festen Phase bis zu vier feste Phasen erhalten: I, II, III und IV.
Bei flüssigen und gasförmigen Systemen können Moleküle in diesen Aggregatzuständen in der Regel nur eine Phase annehmen. Mit anderen Worten kann es sein, dass es keine Gasphase I und eine andere II gibt.
Phasendiagramm
Es gibt viele Phasendiagramme: einige für eine einzelne Verbindung oder Substanz (wie im obigen Bild) und andere für binäre Systeme (z. B. ein Salz in Wasser) oder ternäre Systeme (drei Komponenten).
Am "einfachsten" ist das Phasendiagramm für einen Stoff. Daher wird für die hypothetische Substanz Y ihre Phase als Funktion von Druck (y-Achse) und Temperatur (x-Achse) dargestellt.
Bei niedrigen Drücken ist es ein Gas, unabhängig von seiner Temperatur. Durch Erhöhen des Drucks wird jedoch gasförmiges Y in festem Y abgeschieden.
Bei Temperaturen über dem kritischen Punkt Y kondensiert jedoch Gas in der Flüssigkeit Y, und wenn der Druck erhöht wird (vertikal durch das Diagramm ansteigt), erstarrt die Flüssigkeit.
Jede Linie stellt das Gleichgewicht zwischen den beiden Phasen dar, die sich trennen: Festgas, Flüssiggas, Festflüssigkeit, Flüssigfeststoff und Festflüssiggas am Tripelpunkt.
Ab dem kritischen Punkt Y ist zudem keine physikalische Unterscheidung zwischen der Gasphase und der flüssigen Phase erkennbar: Sie bildet ein sogenanntes überkritisches Fluid.
Beispiele
- Ein Globus ist ein materielles System, da sein Inhalt gasförmig und daher chemischer Natur ist. Wenn das Gas weniger dicht als Luft ist, steigt der Ballon zum Himmel.
- Das Wasser-Öl-Binärsystem hat zwei Phasen: eine für Wasser und eine logisch für Öl. Die Menge von beiden ist das heterogene System, während die einzelnen Schichten homogene Systeme sind. Wenn Sie das Öl extrahieren möchten, müssen Sie eine Flüssig-Flüssig-Extraktion mit einem organischen und flüchtigen Lösungsmittel durchführen.
- Ein Fest-Fest-System kann aus einer Mischung von Weißzucker und braunem Zucker bestehen. Der Unterschied in der Farbe zwischen den Kristallen macht diesen Fall zu einem heterogenen System.
- Meerwasser ist ein weiteres Beispiel für ein homogenes Materialsystem. Es besteht aus einer Auflösung vieler Ionen, die für seinen charakteristischen salzigen Geschmack verantwortlich sind. Wenn eine Meerwasserprobe in einem Behälter verdampft würde, würde sie sich in diesem weißen Salz absetzen.
