Teilchenmodell: Aggregatzustände und Zustandsänderungen

Einstieg: Wo bleibt die Pfütze?

Nach einem Gewitter steht auf dem Pausenplatz eine Pfütze. Am Nachmittag ist sie verschwunden, obwohl es nicht über 100 °C heiss war. Im Winter bildet sich auf Autoscheiben Eis, und in den Alpen schrumpft Schnee an sonnigen, trockenen Tagen, ohne vorher zu schmelzen. Was passiert dabei mit dem Wasser? Um das zu erklären, brauchst du ein Modell.

Erklärung: Das Teilchenmodell

Niemand kann einzelne Wasserteilchen mit blossem Auge sehen. Die Naturwissenschaften erklären viele Beobachtungen aber mit einer Vorstellung, dem Teilchenmodell:

1. Jeder Stoff besteht aus sehr kleinen Teilchen.
2. Die Teilchen eines Reinstoffs sind untereinander gleich. Teilchen verschiedener Stoffe unterscheiden sich, zum Beispiel in Grösse und Masse.
3. Die Teilchen sind ständig in Bewegung. Je höher die Temperatur, desto schneller bewegen sie sich.
4. Zwischen den Teilchen wirken Anziehungskräfte. Zwischen den Teilchen ist nichts, also leerer Raum.

Die drei Aggregatzustände

Ein Stoff kann fest, flüssig oder gasförmig sein. Diese Formen heissen Aggregatzustände. Mit dem Teilchenmodell lassen sie sich so beschreiben:

	fest	flüssig	gasförmig
Anordnung	regelmässig, dicht gepackt	ungeordnet, dicht	ungeordnet, weit auseinander
Bewegung	schwingen am Platz	gleiten aneinander vorbei	fliegen frei durch den Raum
Anziehung	stark	mittel	sehr schwach
Form und Volumen	feste Form, festes Volumen	passt sich dem Gefäss an, festes Volumen	füllt jeden Raum aus

Zustandsänderungen

Wenn du einem Stoff Wärme zuführst, bewegen sich seine Teilchen schneller. Irgendwann reicht die Anziehung nicht mehr, um sie am Platz zu halten:

• Schmelzen (fest zu flüssig) und Erstarren (flüssig zu fest) geschehen bei der Schmelztemperatur.
• Verdampfen (flüssig zu gasförmig) und Kondensieren (gasförmig zu flüssig). Beim Sieden bilden sich in der ganzen Flüssigkeit Dampfblasen. Das geschieht bei der Siedetemperatur.
• Verdunsten ist Verdampfen unterhalb der Siedetemperatur. Einige besonders schnelle Teilchen an der Oberfläche lösen sich aus der Flüssigkeit. So verschwindet die Pfütze.
• Sublimieren (fest direkt zu gasförmig) und Resublimieren (gasförmig direkt zu fest). Raureif an Gräsern entsteht durch Resublimieren von Wasserdampf.

Die Siedetemperatur hängt vom Luftdruck ab. Auf dem Jungfraujoch, rund 3500 m über Meer, ist der Luftdruck viel kleiner als in Basel. Dort siedet Wasser schon bei etwa 89 °C. Teigwaren brauchen deshalb in der Höhe länger.

Diffusion

Gibst du einen Tropfen Tinte in Wasser, verteilt sich die Farbe auch ohne Rühren. Die Wasserteilchen stossen ständig gegen die Farbteilchen und mischen sie unter. Diese selbstständige Durchmischung heisst Diffusion. In warmem Wasser geht sie schneller, weil sich die Teilchen schneller bewegen.

Versuch: Diffusion in kaltem und warmem Wasser

Material: zwei gleiche Bechergläser, kaltes Leitungswasser, warmes Wasser aus dem Hahn (nicht heisser als etwa 50 °C), Lebensmittelfarbe oder Tinte, Pipette, Stoppuhr.

Durchführung: Stelle die Gläser ruhig hin und warte, bis das Wasser still ist. Gib in beide Gläser gleichzeitig je einen Tropfen Farbe. Rühre nicht. Beobachte zehn Minuten lang und fotografiere jede Minute.

Sicherheit: Kein kochendes Wasser verwenden. Lebensmittelfarbe nicht trinken, Flecken auf Kleidung vermeiden.

Beobachtung: Im warmen Wasser ist die Farbe nach wenigen Minuten gleichmässig verteilt, im kalten dauert es viel länger.

Beispiele

Beispiel 1: Der Eiswürfel im Glas Ein Eiswürfel liegt in einem Glas bei Zimmertemperatur. Die Umgebung gibt Wärme ab, die Wasserteilchen im Eis schwingen immer stärker. Bei 0 °C verlassen sie ihre festen Plätze und gleiten aneinander vorbei: Das Eis schmilzt. Solange noch Eis da ist, bleibt die Temperatur des Gemischs bei etwa 0 °C, weil die zugeführte Wärme zum Lösen der Teilchen aus dem Gitter gebraucht wird.

Beispiel 2: Die beschlagene Brille Du kommst im Winter aus der Kälte in ein warmes Schulzimmer, und deine Brille beschlägt. Die warme Luft enthält Wasserdampf. An den kalten Gläsern werden die Wasserteilchen langsamer, die Anziehung hält sie zusammen, und es bilden sich kleine Tröpfchen. Der Wasserdampf kondensiert.

Grenzen des Modells

Ein Modell ist eine Vereinfachung. Das Teilchenmodell erklärt die Aggregatzustände und die Diffusion gut. Es erklärt aber nicht, warum Kupfer rötlich ist, warum Metalle Strom leiten oder warum Eisen magnetisch ist. Die Teilchen selbst haben keine Farbe und sind nicht „hart“ oder „weich“. Dafür braucht es später weitere Modelle.

Merksatz

Im Teilchenmodell bestehen Stoffe aus kleinen Teilchen, die sich ständig bewegen und sich gegenseitig anziehen. Je höher die Temperatur, desto schneller die Bewegung. Fest, flüssig und gasförmig unterscheiden sich in Anordnung, Bewegung und Anziehung der Teilchen. Ein Modell erklärt nicht alles.

Übungen

Grundlagen

1. Nenne die sechs Zustandsänderungen und gib an, von welchem in welchen Aggregatzustand sie führen.
2. Beschreibe mit dem Teilchenmodell, warum sich ein Gas zusammendrücken lässt, Wasser aber kaum.
3. Ordne zu: Raureif an einem Zaun, Nebel über dem See am Morgen, Wäsche trocknet an der Leine, Wachs einer Kerze wird flüssig.

Weiter

4. Erkläre den Unterschied zwischen Verdunsten und Sieden.
5. Warum trocknet Wäsche an einem warmen, windigen Tag schneller als an einem kühlen, windstillen Tag?
6. Ein Parfüm wird vorne im Schulzimmer versprüht. Nach einiger Zeit riecht man es auch hinten. Erkläre mit dem Teilchenmodell.

Knobeln

7. Eine Schülerin sagt: „Beim Schmelzen werden die Eisteilchen weich.“ Nimm Stellung.
8. Warum ist es sinnvoll, im Bergrestaurant auf 3000 m Höhe einen Dampfkochtopf zu verwenden?

Lösungen

1. Schmelzen: fest zu flüssig. Erstarren: flüssig zu fest. Verdampfen: flüssig zu gasförmig. Kondensieren: gasförmig zu flüssig. Sublimieren: fest zu gasförmig. Resublimieren: gasförmig zu fest.
2. In einem Gas sind die Teilchen weit voneinander entfernt, dazwischen ist viel leerer Raum. Drückt man es zusammen, rücken sie näher zusammen. In einer Flüssigkeit liegen die Teilchen bereits dicht aneinander, deshalb lässt sie sich kaum zusammendrücken.
3. Raureif: Resublimieren. Nebel: Kondensieren. Wäsche trocknet: Verdunsten. Wachs wird flüssig: Schmelzen.
4. Verdunsten geschieht unterhalb der Siedetemperatur und nur an der Oberfläche, wo einzelne schnelle Teilchen die Flüssigkeit verlassen. Beim Sieden ist die Siedetemperatur erreicht, und in der ganzen Flüssigkeit bilden sich Dampfblasen.
5. Bei höherer Temperatur bewegen sich die Wasserteilchen schneller, mehr von ihnen können die Oberfläche verlassen. Der Wind trägt die feuchte Luft weg, sodass weitere Teilchen leichter verdunsten.
6. Die Duftteilchen werden von den sich bewegenden Luftteilchen ständig angestossen und verteilen sich im ganzen Raum. Das ist Diffusion.
7. Die Aussage ist falsch. Die Teilchen selbst verändern sich nicht. Sie bewegen sich nur schneller und verlassen ihre festen Plätze im Gitter. Eigenschaften wie „weich“ beschreiben den ganzen Stoff, nicht ein einzelnes Teilchen.
8. In der Höhe ist der Luftdruck kleiner, Wasser siedet bei etwa 90 °C. Speisen garen dann langsamer. Im Dampfkochtopf ist der Druck höher, und das Wasser siedet erst bei über 100 °C. So garen die Speisen schneller.