Teilchenmodell und Diffusion einfach erklärt

Einstieg: Wie kommt der Duft durch den Raum?

Jemand öffnet in der Ecke des Klassenraums eine Flasche Parfüm. Nach einer Weile riechst du den Duft auch in der anderen Ecke, obwohl niemand die Flasche bewegt hat und kein Wind weht. Ein Tropfen Tinte in einem Glas Wasser färbt nach einiger Zeit das ganze Wasser, ohne dass du umrührst. Mit dem bloßen Auge kann man nicht sehen, wie das geschieht. Die Chemie erklärt es mit einem Modell.

Erklärung: Das Teilchenmodell

Ein Modell ist eine vereinfachte Vorstellung von etwas, das man nicht direkt beobachten kann. Mit dem Teilchenmodell stellen sich Chemikerinnen und Chemiker den Bau der Stoffe so vor:

1. Alle Stoffe bestehen aus kleinsten Teilchen. Sie sind so winzig, dass man sie auch mit dem besten Lichtmikroskop nicht sieht.
2. Ein Reinstoff besteht aus gleichartigen Teilchen. Alle Wasserteilchen sind gleich, alle Zuckerteilchen auch.
3. Die Teilchen verschiedener Stoffe unterscheiden sich, zum Beispiel in Größe und Masse. Darauf beruhen die unterschiedlichen Eigenschaften der Stoffe.
4. Die Teilchen sind ständig in Bewegung. Je höher die Temperatur, desto schneller bewegen sie sich.
5. Zwischen den Teilchen ist nichts, also leerer Raum. Die Teilchen ziehen sich gegenseitig an, wenn sie sich nahe sind.

Wichtig ist die Trennung von Stoffebene und Teilchenebene. Auf der Stoffebene beschreibst du, was du beobachtest: Wasser ist farblos und flüssig, Kupfer glänzt rötlich. Auf der Teilchenebene erklärst du es mit dem Modell. Ein einzelnes Teilchen hat keine Farbe, ist nicht flüssig und nicht warm. Diese Eigenschaften hat nur der Stoff als Ganzes, also eine riesige Zahl von Teilchen zusammen.

Die Aggregatzustände im Teilchenmodell

• Fest: Die Teilchen liegen dicht und geordnet auf festen Plätzen. Sie schwingen dort nur hin und her. Die Anziehung hält sie zusammen, deshalb behält der Körper seine Form.
• Flüssig: Die Teilchen liegen noch dicht beieinander, aber ungeordnet. Sie können aneinander vorbeigleiten. Deshalb fließt eine Flüssigkeit und passt sich dem Gefäß an.
• Gasförmig: Die Teilchen sind weit voneinander entfernt und fliegen schnell durcheinander. Die Anziehung spielt kaum noch eine Rolle. Ein Gas füllt deshalb jeden Raum aus und lässt sich zusammenpressen.

Beim Erwärmen bewegen sich die Teilchen schneller. Irgendwann reicht die Bewegung, um die festen Plätze zu verlassen: Der Stoff schmilzt. Bei noch höherer Temperatur lösen sich die Teilchen ganz voneinander: Der Stoff siedet.

Erklärung: Diffusion

Die selbstständige Durchmischung von Stoffen ohne Umrühren heißt Diffusion. Im Teilchenmodell ist sie leicht zu erklären: Die Duftteilchen des Parfüms bewegen sich ständig und stoßen mit den Teilchen der Luft zusammen. Dabei verteilen sie sich nach und nach im ganzen Raum. Da es so viele Zusammenstöße gibt, dauert das eine Weile. In Flüssigkeiten geht Diffusion langsamer als in Gasen, weil die Teilchen dort dicht beieinander liegen.

Beispiele

Beispiel 1: Tee in kaltem und heißem Wasser

Du hängst je einen Teebeutel in ein Glas mit kaltem und eines mit heißem Wasser. Beobachtung auf der Stoffebene: Im heißen Wasser breitet sich die braune Farbe viel schneller aus. Erklärung auf der Teilchenebene: Bei höherer Temperatur bewegen sich die Teilchen schneller. Farbstoffteilchen und Wasserteilchen vermischen sich deshalb schneller.

Beispiel 2: Eine typische Fehlvorstellung

Mia erklärt: „Eis ist fest, weil die Wasserteilchen im Eis hart und kalt sind.“ Das vermischt Stoff- und Teilchenebene. Die Wasserteilchen im Eis sind genau dieselben wie im flüssigen Wasser und im Wasserdampf. Nur ihre Anordnung und ihre Bewegung sind anders. Richtig ist: „Eis ist fest, weil die Wasserteilchen dort dicht und geordnet auf festen Plätzen liegen und nur schwingen.“

Beispiel 3: Grenzen des Modells

Das Kugelmodell sagt nichts darüber, wie ein Teilchen innen aufgebaut ist, und es erklärt nicht, warum Kupfer rötlich ist. Jedes Modell hat Grenzen. Für Aggregatzustände und Diffusion ist das Teilchenmodell gut geeignet. Für chemische Reaktionen brauchst du später ein genaueres Modell.

Merksatz

Nach dem Teilchenmodell bestehen Stoffe aus kleinsten, ständig bewegten Teilchen. Ein Reinstoff besteht aus gleichartigen Teilchen. Die Aggregatzustände unterscheiden sich in Anordnung und Bewegung der Teilchen, nicht in den Teilchen selbst. Diffusion ist die selbstständige Durchmischung von Stoffen durch die Bewegung der Teilchen, und sie läuft bei höherer Temperatur schneller ab.

Übungen

Grundlagen

1. Nenne die fünf Aussagen des Teilchenmodells in eigenen Worten.
2. Zeichne je einen Kasten für Wasser als Eis, als flüssiges Wasser und als Wasserdampf mit Teilchen als Kreisen.
3. Ordne zu, ob die Aussage zur Stoffebene oder zur Teilchenebene gehört: a) Kupfer glänzt. b) Die Teilchen schwingen um feste Plätze. c) Wasser siedet bei 100 °C. d) Zwischen den Teilchen ist leerer Raum.

Weiter

4. Erkläre mit dem Teilchenmodell, warum sich ein Gas zusammenpressen lässt, eine Flüssigkeit aber kaum.
5. Ein Tropfen Lebensmittelfarbe wird in ein Glas Wasser gegeben. Beschreibe, was du nach einer Stunde beobachtest, und erkläre die Beobachtung auf der Teilchenebene.
6. Korrigiere die Aussage: „Beim Erhitzen werden die Teilchen größer, deshalb dehnt sich der Stoff aus.“

Knobeln

7. Mischt man 50 ml Wasser und 50 ml Ethanol, erhält man etwas weniger als 100 ml Flüssigkeit. Erkläre die Beobachtung mit dem Teilchenmodell. Tipp: Denk an ein Gemisch aus Erbsen und Sand.
8. Plane einen Versuch, mit dem du zeigst, dass Diffusion bei höherer Temperatur schneller abläuft. Nenne, was du veränderst, was du beobachtest und was gleich bleiben muss.

Lösungen

1. Stoffe bestehen aus kleinsten Teilchen. Ein Reinstoff hat gleichartige Teilchen. Teilchen verschiedener Stoffe unterscheiden sich in Größe und Masse. Die Teilchen bewegen sich ständig, schneller bei höherer Temperatur. Zwischen den Teilchen ist leerer Raum, und die Teilchen ziehen sich an.
2. Eis: viele Kreise dicht und regelmäßig in Reihen. Flüssiges Wasser: viele Kreise dicht, aber ungeordnet. Wasserdampf: wenige Kreise weit verteilt, mit Bewegungspfeilen. In allen drei Kästen sind die Kreise gleich groß.
3. Stoffebene: a und c. Teilchenebene: b und d.
4. Im Gas sind die Teilchen weit voneinander entfernt. Dazwischen ist viel leerer Raum, den man beim Zusammenpressen verkleinert. In einer Flüssigkeit liegen die Teilchen bereits dicht beieinander, es gibt kaum Platz zum Zusammenrücken.
5. Nach einer Stunde ist das ganze Wasser gleichmäßig gefärbt. Die Farbstoffteilchen und die Wasserteilchen bewegen sich ständig, stoßen zusammen und vermischen sich dadurch von selbst.
6. Die Teilchen selbst werden nicht größer. Beim Erhitzen bewegen sie sich schneller und brauchen dadurch mehr Platz. Die Abstände zwischen ihnen werden größer.
7. Ethanolteilchen und Wasserteilchen sind unterschiedlich groß. Die kleineren Teilchen können sich teilweise in die Lücken zwischen den größeren schieben, so wie Sand in die Lücken zwischen Erbsen rieselt. Das Gesamtvolumen wird dadurch kleiner als die Summe.
8. Zwei gleiche Gläser mit gleich viel Wasser, eines kalt (etwa 10 °C), eines warm (etwa 50 °C). In beide gleichzeitig einen gleich großen Tropfen Lebensmittelfarbe geben, nicht umrühren. Beobachten und fotografieren, wann das Wasser jeweils gleichmäßig gefärbt ist. Gleich bleiben: Wassermenge, Glasform, Farbstoffmenge, kein Rühren. Erwartung: Im warmen Wasser ist die Farbe schneller verteilt.