Lektion 2.1

Aggregatzustände und Teilchenmodell

14 min Lesezeit

Du gibst einen Eiswürfel in heißen Tee. Er wird kleiner und ist bald weg. Dann rührst du einen Löffel Zucker ein. Auch der Zucker ist nicht mehr zu sehen, aber der Tee schmeckt süß. In der Küche kocht jemand Suppe, und du riechst es im Kinderzimmer, obwohl die Tür zu ist. Und wenn du ein Salzkorn unter die Lupe legst, sieht es aus wie ein winziger Würfel.

Wohin ist der Zucker verschwunden? Wie kommt der Duft durch die Wohnung? Warum haben Salzkörner so eine gerade Form? Alle Fragen lassen sich mit derselben Idee beantworten: Alles besteht aus winzig kleinen Teilchen.

Definition

Teilchenmodell, Aggregatzustände und Zustandswechsel

Alle Stoffe bestehen aus winzig kleinen Teilchen. Man sieht sie auch im Schulmikroskop nicht. Darum benutzt man ein Modell, eine vereinfachte Vorstellung. Im Teilchenmodell sind die Teilchen kleine Kugeln. Sie sind immer in Bewegung, und zwischen ihnen ist nichts, also leerer Raum. Sie ziehen sich gegenseitig an und halten dadurch zusammen.

Ein Stoff kommt in drei Aggregatzuständen vor:

ZustandTeilchen im ModellBewegungZusammenhalt
festdicht an dicht, jedes an seinem Platzzittern auf der Stellestark
flüssigdicht beieinander, ohne festen Platzgleiten aneinander vorbeimittel
gasförmigweit voneinander entferntfliegen kreuz und querfast keiner

Erwärmst oder kühlst du einen Stoff, wechselt er den Zustand. Fest zu flüssig heißt Schmelzen, flüssig zu fest Erstarren, flüssig zu gasförmig Verdampfen und gasförmig zu flüssig Kondensieren. Dabei bleiben die Teilchen gleich. Nur Abstand und Bewegung ändern sich, darum bleibt die Masse gleich.

Definition

Schmelztemperatur und Siedetemperatur

Bei der Schmelztemperatur wird ein fester Stoff flüssig, bei der Siedetemperatur wird eine Flüssigkeit gasförmig. Beim Abkühlen läuft es umgekehrt: Bei der Schmelztemperatur erstarrt der Stoff, bei der Siedetemperatur kondensiert das Gas.

Jeder Stoff hat eigene Werte, und sie ändern sich bei gleichem Luftdruck nicht. Ob du einen Tropfen oder einen Eimer Wasser hast, es siedet bei normalem Luftdruck (auf Meereshöhe) immer bei 100 °C. Darum sind sie wie ein Ausweis: Siedet eine klare Flüssigkeit bei 78 °C, ist es wahrscheinlich Ethanol (Alkohol). Einige Werte, gerundet:

StoffSchmelztemperaturSiedetemperatur
Wasser0 °C100 °C
Ethanol (Alkohol)−114 °C78 °C
Quecksilber (Metall)−39 °C357 °C
Sauerstoff−219 °C−183 °C
Eisen1540 °C2860 °C

Unter der Schmelztemperatur ist der Stoff fest, zwischen den beiden Werten flüssig und darüber gasförmig.

Beispiel

Der Zustand bei Zimmertemperatur

Im Zimmer sind es etwa 20 °C. In welchem Zustand ist jeder Stoff der Tabelle bei dieser Temperatur?

Wir vergleichen 20 mit den beiden Werten jedes Stoffes.

Wasser: 20 liegt zwischen 0 und 100. Es ist flüssig. Ethanol: 20 liegt zwischen −114 und 78. Es ist flüssig. Quecksilber: 20 liegt zwischen −39 und 357. Es ist flüssig.

Sauerstoff: 20 ist größer als −183. Er ist gasförmig. Eisen: 20 ist kleiner als 1540. Es ist fest.

Definition

Teilchenbewegung und Temperatur

Je wärmer ein Stoff ist, desto schneller bewegen sich seine Teilchen. Je kälter er ist, desto langsamer sind sie. Ganz still stehen sie nie. Damit erklärst du die Zustandswechsel:

  • Erwärmst du einen festen Stoff, zittern die Teilchen immer stärker. Bei der Schmelztemperatur verlassen sie ihre festen Plätze. Der Stoff wird flüssig.
  • Erwärmst du die Flüssigkeit weiter, werden die Teilchen noch schneller. Bei der Siedetemperatur lösen sie sich ganz voneinander. Der Stoff wird gasförmig.

Beim Abkühlen läuft es umgekehrt: Die Teilchen werden langsamer, und der Zusammenhalt holt sie wieder zusammen.

Definition

Diffusion

Du öffnest in einer Zimmerecke ein Parfümfläschchen. Nach kurzer Zeit riecht es im ganzen Zimmer, auch ohne Wind. Oder du lässt einen Tropfen Tinte in ein Glas Wasser fallen und rührst nicht um. Die Farbe breitet sich langsam im ganzen Glas aus. Dieses Durchmischen von allein heißt Diffusion.

Das Teilchenmodell erklärt sie. Die Teilchen sind immer in Bewegung und stoßen aneinander. So wandern sie in alle Richtungen und schieben sich in den leeren Raum zwischen den anderen Teilchen. Am Ende sind sie gleichmäßig verteilt.

Im Gas geht das schnell, in der Flüssigkeit langsam und im Festkörper so langsam, dass man es nicht bemerkt. Bei Wärme sind die Teilchen schneller, und die Diffusion geht schneller.

Beispiel

Teebeutel in kaltem und heißem Wasser

Du hängst in zwei gleiche Gläser je einen Teebeutel. Im einen Glas ist kaltes, im anderen heißes Wasser. Im heißen Glas wird das Wasser viel schneller braun. Warum?

Aus dem Teebeutel lösen sich Farbstoffteilchen und verteilen sich zwischen den Wasserteilchen. Das ist Diffusion. Im heißen Wasser sind alle Teilchen schneller. Sie stoßen öfter und heftiger zusammen und mischen sich darum schneller.

Definition

Der Lösevorgang im Teilchenmodell

Rührst du Zucker in Tee, hat er sich nach kurzer Zeit gelöst. Was ist mit den Teilchen geschehen?

Ein Zuckerkorn ist ein Haufen Zuckerteilchen, die fest zusammenhalten. Die Wasserteilchen sind in Bewegung und stoßen gegen das Korn. Dabei lösen sie Zuckerteilchen heraus und nehmen sie mit. Die Zuckerteilchen verteilen sich zwischen den Wasserteilchen, wie bei der Diffusion. Rühren und Wärme beschleunigen das.

Die Zuckerteilchen sind nicht verschwunden, nur zu klein, um sie zu sehen. Das merkst du: Der Tee schmeckt süß, und er ist schwerer als vorher.

Beispiel

Die Masse beim Lösen

Du rührst 20 g Zucker in 200 g Wasser, bis alles gelöst ist. Wie schwer ist die Zuckerlösung?

200+20=220200 + 20 = 220

Beim Lösen geht kein Teilchen verloren. Alle Teilchen sind noch da, nur anders verteilt. Darum zählst du die Massen zusammen: 200 g plus 20 g sind 220 g. Die Lösung wiegt 220 g.

Definition

Kristalle

Sieh dir Salz oder Zucker mit der Lupe an. Du erkennst glatte Flächen und gerade Kanten. Solche Körner heißen Kristalle. Kochsalzkörner sind kleine Würfel, und eine Schneeflocke ist ein Eiskristall mit sechs Armen.

In einem Kristall sind die Teilchen regelmäßig angeordnet, in Reihen und Schichten, wie Orangen in einer Kiste oder Eier im Eierkarton. Diese Ordnung ist der Grund für die gerade Form.
Kristalle wachsen, wenn sich Teilchen aus einer Lösung an einen Kristall setzen. Das geht langsam, wenn das Wasser verdunstet oder die Lösung abkühlt. Kandis ist ein Zuckerkristall, der so in einigen Tagen gewachsen ist.

Häufige Fehler

Die Teilchen schmelzen oder werden weich

„Im Eis sind die Teilchen hart, im Wasser sind sie flüssig. Beim Schmelzen werden die Teilchen weich.“

Richtig ist

Die Teilchen bleiben immer gleich. Ein einzelnes Teilchen ist weder fest noch flüssig noch gasförmig. Der Zustand entsteht dadurch, wie weit die Teilchen auseinander liegen und wie sie sich bewegen.

Häufige Fehler

Zwischen den Teilchen ist Luft

„Zwischen den Wasserteilchen ist Luft, darum kann sich der Zucker verteilen.“

Richtig ist

Im Teilchenmodell ist zwischen den Teilchen nichts, also leerer Raum. Luft besteht selbst aus Teilchen, und auch zwischen ihnen ist leerer Raum.

Zusammenfassung

  • Im Teilchenmodell bestehen Stoffe aus kleinen Kugeln, die immer in Bewegung sind. Dazwischen ist leerer Raum.

  • Fest, flüssig und gasförmig unterscheiden sich in Abstand, Bewegung und Zusammenhalt der Teilchen. Die Wechsel heißen Schmelzen, Erstarren, Verdampfen und Kondensieren.

  • Schmelz- und Siedetemperatur gehören zum Stoff und sind wie ein Ausweis. Wasser: 0 °C und 100 °C.

  • Je wärmer ein Stoff ist, desto schneller sind seine Teilchen. Bei der Schmelztemperatur verlassen sie ihre Plätze, bei der Siedetemperatur lösen sie sich voneinander.

  • Diffusion ist das Durchmischen von allein, weil die Teilchen in Bewegung sind. Im Gas geht es schnell, in der Flüssigkeit langsam.

  • Beim Lösen verteilen sich die Teilchen des Stoffes zwischen den Wasserteilchen. Sie sind noch da, die Masse bleibt gleich.

  • Kristalle sind feste Körper mit regelmäßig angeordneten Teilchen. Daher kommen glatte Flächen und gerade Kanten.

Übungen

Aufgabe 1Multiple Choice

Sauerstoff schmilzt bei −219 °C und siedet bei −183 °C. In welchem Zustand ist er bei −200 °C?

Aufgabe 2Numerisch

Quecksilber schmilzt bei −39 °C und siedet bei 357 °C. Über wie viele Grad ist es flüssig?

Aufgabe 3Multiple Choice

Was geschieht mit den Teilchen, wenn ein Eiswürfel schmilzt?

Aufgabe 4Numerisch

Du löst 35 g Zucker in 250 g Wasser. Wie viele Gramm wiegt die Lösung?

Aufgabe 5Numerisch

Ein Modell-Kristall ist ein Würfel aus Teilchen. Auf jeder Kante liegen 4 Teilchen. Wie viele Teilchen hat der Würfel insgesamt?

Aufgabe 6Freitext

Warum riecht man frisch gebackenen Kuchen nach kurzer Zeit im ganzen Haus? Erkläre mit dem Teilchenmodell.