Physikalische und chemische Eigenschaften
Die vorliegende Lektion dient dazu, die grundlegenden Definitionen bezüglich der Eigenschaften der Materie unter physikalischen und chemischen Gesichtspunkten einzuführen. Ihr Ziel ist die Schulung des Schülers in logischen und wissenschaftlichen Denkweisen, wodurch er in die Lage versetzt werden soll, einen Stoff von einem anderen mit der erforderlichen Präzision zu unterscheiden.
Physikalische Eigenschaften und Veränderungen der Materie
Jene Attribute, durch die eine Substanz von einer anderen unterschieden werden kann, werden als Eigenschaften bezeichnet. Eine physikalische Eigenschaft ist ein Merkmal der Materie, welches keine Veränderung ihrer chemischen Konstitution mit sich bringt. Gebräuchliche Beispiele für solche Qualitäten sind Dichte, Farbe, Härte, die Temperaturen der Verflüssigung und des Siedens sowie die elektrische Leitfähigkeit.
Gewisse dieser Attribute, wie Dichte und Farbe, können beobachtet werden, während der Stoff in einem konstanten Zustand verbleibt. Andere hingegen treten erst in Erscheinung, wenn die Materie eine physikalische Veränderung erfährt, wie etwa das Schmelzen von Eisen oder das Gefrieren von Wasser. Eine physikalische Veränderung ist eine Änderung des Zustandes oder der Eigenschaften der Materie ohne eine damit einhergehende Änderung ihrer chemischen Zusammensetzung oder der Identität ihrer Bestandteile.
Eine physikalische Veränderung wird beobachtet, wenn Wachs eine Verflüssigung erfährt, wenn Zucker seine Auflösung im Kaffee findet oder wenn Dampf kondensiert, um flüssiges Wasser zu bilden. Weitere Beispiele solcher Veränderungen sind die Magnetisierung und Entmagnetisierung metallischer Körper sowie die Zerkleinerung fester Materie zu Pulver durch Mahlen — Letzteres kann bisweilen eine wahrnehmbare Veränderung der Farbe hervorrufen. In jedem dieser Fälle bleibt die grundlegende chemische Konstitution unverändert, obgleich eine Änderung des physikalischen Zustandes, der Form oder der Eigenschaften vorliegt.
Wachsschmelzprozess.
Wasserdestillationsprozess
Die Umwandlung einer Materieart in eine andere oder der inhärente Widerstand gegen eine solche Veränderung stellt eine chemische Eigenschaft dar. Zu diesen Eigenschaften gehören Entflammbarkeit, Toxizität, Acidität, verschiedene Formen der Reaktivität und die Verbrennungswärme.
Zur Veranschaulichung: Eisen verbindet sich in Gegenwart von Feuchtigkeit mit Sauerstoff zu Rost, während Chrom keine derartige Oxidation aufweist. Ferner wird Nitroglycerin aufgrund seiner explosiven Instabilität als überaus gefährlich erachtet, wohingegen Neon nur eine vernachlässigbare Gefahr darstellt, da es von einer bemerkenswert reaktionsträgen und inerten Beschaffenheit ist.
Zur Identifizierung einer chemischen Eigenschaft muss der Beobachter eine chemische Veränderung wahrnehmen. Eine solche Veränderung führt ausnahmslos zur Entstehung einer oder mehrerer Materiearten, die sich in ihrem grundlegenden Wesen von den vor der Umwandlung vorhandenen Substanzen unterscheiden.
Die Bildung von Rost wird zu Recht als chemische Veränderung bezeichnet, denn der Rost selbst ist eine eigenständige Form der Materie, ganz unähnlich dem Eisen, dem Sauerstoff und dem Wasser, aus denen er hervorgegangen ist. In ähnlicher Weise stellt die Detonation von Nitroglycerin eine chemische Veränderung dar, da die resultierenden Gase in ihrer Art gänzlich von der Ausgangssubstanz verschieden sind. Weitere Beispiele für chemische Veränderungen finden sich im Laboratorium — wie etwa die heftige Einwirkung von Salpetersäure auf Kupfer — sowie in allen Arten der Verbrennung und in den verschiedenen Prozessen, durch welche Speisen gekocht, verdaut oder den Auswirkungen der Fäulnis überlassen werden.
Es zeigt sich, dass die Eigenschaften der Materie einer von zwei verschiedenen Kategorien angehören. Hängt eine Eigenschaft von der Menge der vorhandenen Materie ab, so wird sie als extensive Eigenschaft bezeichnet. Masse und Volumen dienen als primäre Beispiele dieser Klasse; so besitzt beispielsweise eine Gallone Milch eine größere Masse und ein größeres Volumen als eine einzelne Tasse. Der Wert einer solchen extensiven Eigenschaft erweist sich als direkt proportional zur betrachteten Materiemenge.
Umgekehrt wird eine Eigenschaft als intensive Eigenschaft bezeichnet, wenn sie unabhängig von der Menge der vorhandenen Materie ist. Die Temperatur bietet eine treffende Veranschaulichung dieses Prinzips. Sollten sich eine Gallone Milch und eine Tasse Milch jeweils bei einer Temperatur von 20°C befinden, so wird deren Zusammenführung zu einem größeren Volumen an Milch führen, welches dennoch die Temperatur von 20°C beibehält.
Betrachten Sie ferner die verwandten, aber dennoch verschiedenen Qualitäten von Wärme und Temperatur. Ein bloßer Tropfen heißen Speiseöls, der auf den Arm spritzt, verursacht nur ein kurzes und geringfügiges Unbehagen; doch ein Topf desselben Öls wird Verbrennungen schwerster Art hervorrufen. Während sowohl der Tropfen als auch der Topf die gleiche Temperatur aufweisen — was eine intensive Eigenschaft ist —, enthält der Topf offensichtlich eine weitaus größere Wärmemenge, welche eine extensive Eigenschaft darstellt.
Obgleich sich viele Elemente in ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften drastisch unterscheiden, weisen einige von ihnen auffallend ähnliche Verhaltensweisen auf. Wir können somit Gruppen von Elementen identifizieren, die gemeinsame Merkmale zeigen. Beispielsweise dienen viele Elemente als ausgezeichnete Leiter für Wärme und Elektrizität, während andere sich als schlechte Leiter erweisen. Solche Eigenschaften erlauben die Klassifizierung der Elemente in drei verschiedene Ordnungen: Metalle, welche gut leiten; Nichtmetalle, welche schlecht leiten; und Metalloide, welche die Attribute beider Klassen besitzen.
Periodensystem der Elemente.
