LERNZIELE
Am Ende dieses Abschnitts wirst du in der Lage sein:
- Eigenschaften und Veränderungen von Materie als physikalisch oder chemisch zu identifizieren
- Eigenschaften von Materie als extensiv oder intensiv zu identifizieren
Die Merkmale, die es uns ermöglichen, einen Stoff von einem anderen zu unterscheiden, werden Eigenschaften genannt. Eine physikalische Eigenschaft ist ein Merkmal der Materie, das nicht mit einer Veränderung ihrer chemischen Zusammensetzung verbunden ist. Bekannte Beispiele für physikalische Eigenschaften sind Dichte, Farbe, Härte, Schmelz- und Siedepunkt sowie die elektrische Leitfähigkeit. Einige physikalische Eigenschaften wie Dichte und Farbe können wir beobachten, ohne dass sich der physikalische Zustand der beobachteten Materie ändert. Andere physikalische Eigenschaften, wie die Schmelztemperatur von Eisen oder die Gefriertemperatur von Wasser, können nur beobachtet werden, wenn die Materie einer physikalischen Veränderung unterliegt. Eine physikalische Veränderung ist eine Veränderung des Zustands oder der Eigenschaften der Materie, ohne dass damit eine Veränderung ihrer chemischen Zusammensetzung (der Identität der in der Materie enthaltenen Stoffe) einhergeht. Wir beobachten eine physikalische Veränderung, wenn Wachs schmilzt, wenn sich Zucker in Kaffee auflöst und wenn Dampf zu flüssigem Wasser kondensiert (Abbildung 1). Weitere Beispiele für physikalische Veränderungen sind das Magnetisieren und Entmagnetisieren von Metallen (wie bei den gängigen Diebstahlsicherungsetiketten) und das Zermahlen von Feststoffen zu Pulver (was manchmal zu deutlichen Farbveränderungen führen kann). In jedem dieser Beispiele kommt es zu einer Veränderung des physikalischen Zustands, der Form oder der Eigenschaften der Substanz, aber nicht zu einer Veränderung ihrer chemischen Zusammensetzung.
Abbildung 1. (a) Wachs erfährt eine physikalische Veränderung, wenn festes Wachs erhitzt wird und flüssiges Wachs bildet. (b) Dampf, der in einem Kochtopf kondensiert, ist eine physikalische Veränderung, da Wasserdampf in flüssiges Wasser umgewandelt wird. (credit a: Modifikation der Arbeit von „95jb14″/Wikimedia Commons; credit b: Modifikation der Arbeit von „mjneuby“/Flickr)
Die Umwandlung einer Art von Materie in eine andere Art (oder die Unfähigkeit zur Umwandlung) ist eine chemische Eigenschaft. Beispiele für chemische Eigenschaften sind Entflammbarkeit, Toxizität, Säuregehalt, Reaktivität (viele Arten) und Verbrennungswärme. Eisen zum Beispiel verbindet sich in Gegenwart von Wasser mit Sauerstoff und bildet Rost; Chrom oxidiert nicht (Abbildung 2). Nitroglyzerin ist sehr gefährlich, weil es leicht explodiert; Neon stellt fast keine Gefahr dar, weil es sehr reaktionsträge ist.
Abbildung 2. (a) Eine der chemischen Eigenschaften von Eisen ist, dass es rostet; (b) eine der chemischen Eigenschaften von Chrom ist, dass es nicht rostet. (Credit a: Abwandlung einer Arbeit von Tony Hisgett; Credit b: Abwandlung einer Arbeit von „Atoma“/Wikimedia Commons)
Um eine chemische Eigenschaft zu identifizieren, suchen wir nach einer chemischen Veränderung. Eine chemische Veränderung führt immer zu einer oder mehreren Arten von Stoffen, die sich von den Stoffen unterscheiden, die vor der Veränderung vorhanden waren. Die Bildung von Rost ist eine chemische Veränderung, weil Rost eine andere Art von Materie ist als das Eisen, der Sauerstoff und das Wasser, die vor der Bildung des Rosts vorhanden waren. Die Explosion von Nitroglyzerin ist eine chemische Veränderung, weil die entstehenden Gase eine ganz andere Art von Materie sind als die ursprüngliche Substanz. Andere Beispiele für chemische Veränderungen sind Reaktionen, die in einem Labor durchgeführt werden (z. B. die Reaktion von Kupfer mit Salpetersäure), alle Formen der Verbrennung (Brennen) und das Kochen, Verdauen oder Verfaulen von Lebensmitteln (Abbildung 3).
Abbildung 3. (a) Kupfer und Salpetersäure gehen eine chemische Verbindung ein und bilden Kupfernitrat und braunes, gasförmiges Stickstoffdioxid. (b) Bei der Verbrennung eines Streichholzes kommt es zu einer chemischen Umwandlung von Zellulose im Streichholz und Luftsauerstoff zu Kohlendioxid und Wasserdampf. (c) Beim Kochen von rotem Fleisch kommt es zu einer Reihe chemischer Veränderungen, u. a. zur Oxidation des Eisens im Myoglobin, die zu der bekannten Farbveränderung von rot nach braun führt. (d) Das Braunwerden einer Banane ist eine chemische Veränderung, bei der sich neue, dunklere (und weniger schmackhafte) Substanzen bilden. (credit b: Abwandlung einer Arbeit von Jeff Turner; credit c: Abwandlung einer Arbeit von Gloria Cabada-Leman; credit d: Abwandlung einer Arbeit von Roberto Verzo)
Eigenschaften der Materie fallen in eine von zwei Kategorien. Hängt die Eigenschaft von der Menge der vorhandenen Materie ab, handelt es sich um eine extensive Eigenschaft. Die Masse und das Volumen eines Stoffes sind Beispiele für extensive Eigenschaften; eine Gallone Milch hat beispielsweise eine größere Masse und ein größeres Volumen als eine Tasse Milch. Der Wert einer extensiven Eigenschaft ist direkt proportional zur Menge des betreffenden Stoffes. Wenn die Eigenschaft einer Materieprobe nicht von der Menge der vorhandenen Materie abhängt, handelt es sich um eine intensive Eigenschaft. Die Temperatur ist ein Beispiel für eine intensive Eigenschaft. Wenn die Gallone und die Tasse Milch jeweils eine Temperatur von 20 °C (Raumtemperatur) haben, bleibt die Temperatur bei ihrer Vereinigung bei 20 °C. Ein weiteres Beispiel sind die unterschiedlichen, aber verwandten Eigenschaften von Wärme und Temperatur. Ein Tropfen heißes Speiseöl, der auf den Arm gespritzt wird, verursacht ein kurzes, leichtes Unbehagen, während ein Topf mit heißem Öl zu schweren Verbrennungen führt. Sowohl der Tropfen als auch der Topf mit Öl haben die gleiche Temperatur (eine intensive Eigenschaft), aber der Topf enthält eindeutig viel mehr Wärme (extensive Eigenschaft).
Gefahrendiamant
Das in Abbildung 4 dargestellte Symbol haben Sie vielleicht schon einmal auf Chemikalienbehältern in einem Labor oder am Arbeitsplatz gesehen. Manchmal auch als „Feuerdiamant“ oder „Gefahrendiamant“ bezeichnet, liefert dieser chemische Gefahrendiamant wertvolle Informationen, die kurz die verschiedenen Gefahren zusammenfassen, die bei der Arbeit mit einem bestimmten Stoff zu beachten sind.
Abbildung 4. Der Gefahrendiamant der National Fire Protection Agency (NFPA) fasst die Hauptgefahren eines chemischen Stoffes zusammen.
Das National Fire Protection Agency (NFPA) 704 Hazard Identification System wurde von der NFPA entwickelt, um Sicherheitsinformationen über bestimmte Stoffe bereitzustellen. Das System enthält Angaben zur Entflammbarkeit, Reaktivität, Gesundheit und anderen Gefahren. Innerhalb des allgemeinen Rautensymbols gibt die obere (rote) Raute den Grad der Brandgefahr an (Temperaturbereich für den Flammpunkt). Die blaue (linke) Raute gibt den Grad der Gesundheitsgefährdung an. Die gelbe (rechte) Raute beschreibt die Gefahren der Reaktivität, z. B. wie leicht der Stoff zur Detonation oder zu einer heftigen chemischen Veränderung neigt. Die weiße (untere) Raute weist auf besondere Gefahren hin, z. B. ob es sich um ein Oxidationsmittel handelt (wodurch der Stoff in Abwesenheit von Luft/Sauerstoff brennen kann), ob er eine ungewöhnliche oder gefährliche Reaktion mit Wasser eingeht, ob er ätzend, säurehaltig oder alkalisch ist, ob er eine biologische Gefahr darstellt, ob er radioaktiv ist und so weiter. Jede Gefahr wird auf einer Skala von 0 bis 4 eingestuft, wobei 0 keine Gefahr darstellt und 4 extrem gefährlich ist.
Während sich viele Elemente in ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften drastisch unterscheiden, haben einige Elemente ähnliche Eigenschaften. Wir können Gruppen von Elementen identifizieren, die gemeinsame Verhaltensweisen aufweisen. Zum Beispiel leiten viele Elemente Wärme und Elektrizität gut, während andere schlecht leiten. Anhand dieser Eigenschaften können die Elemente in drei Klassen eingeteilt werden: Metalle (Elemente, die gut leiten), Nichtmetalle (Elemente, die schlecht leiten) und Metalloide (Elemente, die sowohl Eigenschaften von Metallen als auch von Nichtmetallen aufweisen).
Das Periodensystem ist eine Tabelle der Elemente, in der Elemente mit ähnlichen Eigenschaften nahe beieinander liegen (Abbildung 5). Du wirst mehr über das Periodensystem lernen, wenn du dein Chemiestudium fortsetzt.
Abbildung 5. Das Periodensystem zeigt, wie Elemente nach bestimmten ähnlichen Eigenschaften gruppiert werden können. Man beachte die Hintergrundfarbe, die angibt, ob ein Element ein Metall, ein Metalloid oder ein Nichtmetall ist, während die Farbe des Elementsymbols angibt, ob es ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas ist.
Schlüsselbegriffe und Zusammenfassung
Alle Stoffe haben unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften und können physikalische oder chemische Veränderungen erfahren. Physikalische Eigenschaften, wie z. B. Härte und Siedepunkt, und physikalische Veränderungen, wie z. B. Schmelzen oder Gefrieren, sind nicht mit einer Änderung der Zusammensetzung der Materie verbunden. Chemische Eigenschaften, wie Entflammbarkeit und Säuregehalt, und chemische Veränderungen, wie z. B. Rosten, beinhalten die Erzeugung von Materie, die sich von der vorher vorhandenen unterscheidet.
Messbare Eigenschaften fallen in eine von zwei Kategorien. Extensive Eigenschaften hängen von der Menge der vorhandenen Materie ab, z. B. von der Masse des Goldes. Intensive Eigenschaften hängen nicht von der Menge der vorhandenen Materie ab, z. B. die Dichte von Gold. Wärme ist ein Beispiel für eine extensive Eigenschaft, und Temperatur ist ein Beispiel für eine intensive Eigenschaft.
Chemie Übungen am Ende des Kapitels
- Klassifiziere die sechs unterstrichenen Eigenschaften im folgenden Absatz als chemische oder physikalische: Fluor ist ein blassgelbes Gas, das mit den meisten Stoffen reagiert. Das freie Element schmilzt bei -220 °C und siedet bei -188 °C. Fein verteilte Metalle verbrennen in Fluor mit einer hellen Flamme. Neunzehn Gramm Fluor reagieren mit 1,0 Gramm Wasserstoff.
- Classify each of the following changes as physical or chemical:
- condensation of steam
- burning of gasoline
- souring of milk
- dissolving of sugar in water
- melting of gold
- Classify each of the following changes as physical or chemical:
- coal burning
- ice melting
- mixing chocolate syrup with milk
- explosion of a firecracker
- magnetizing of a screwdriver
- The volume of a sample of oxygen gas changed from 10 mL to 11 mL as the temperature changed. Is this a chemical or physical change?
- A 2.0-liter volume of hydrogen gas combined with 1.0 liter of oxygen gas to produce 2.0 liters of water vapor. Does oxygen undergo a chemical or physical change?
- Explain the difference between extensive properties and intensive properties.
- Identify the following properties as either extensive or intensive.
- volume
- temperature
- humidity
- heat
- boiling point
- The density (d) of a substance is an intensive property that is defined as the ratio of its mass (m) to its volume (V).
\text{density}=\frac{\text{mass}}{\text{volume}}\phantom{\rule{2em}{0ex}}; \text{d}=\frac{\text{m}}{\text{V}}
Considering that mass and volume are both extensive properties, explain why their ratio, density, is intensive.
Selected Answers
2. (a) physical; (b) chemical; (c) chemical; (d) physical; (e) physical
4. physical
6. The value of an extensive property depends upon the amount of matter being considered, whereas the value of an intensive property is the same regardless of the amount of matter being considered.
8. Being extensive properties, both mass and volume are directly proportional to the amount of substance under study. Dividiert man eine extensive Eigenschaft durch eine andere, so wird diese Abhängigkeit von der Menge „aufgehoben“ und man erhält ein Verhältnis, das von der Menge unabhängig ist (eine intensive Eigenschaft).
Glossary
chemical change
change producing a different kind of matter from the original kind of matter
chemical property
behavior that is related to the change of one kind of matter into another kind of matter
extensive property
property of a substance that depends on the amount of the substance
intensive property
property of a substance that is independent of the amount of the substance
physical change
change in the state or properties of matter that does not involve a change in its chemical composition