Körper und Stoffe: Volumen, Masse, Luft und Teilchen
Du hältst einen Holzwürfel und einen Eisenwürfel in den Händen. Beide sind gleich groß, aber der Eisenwürfel ist viel schwerer. Du bläst einen Luftballon auf, und er wird größer, obwohl du nichts Sichtbares hineinfüllst. Ein Eiswürfel wird in deiner Hand zu Wasser. Und das Wasser im Topf wird zu Dampf und verschwindet.
Wie misst man, wie viel Platz etwas braucht und wie schwer es ist? Ist Luft wirklich „nichts“? Und was geschieht mit Wasser, wenn es zu Eis oder zu Dampf wird? Eine einfache Vorstellung hilft bei allen Fragen: Alles besteht aus winzig kleinen Teilchen.
Körper und Stoff
Ein Körper ist ein Gegenstand mit bestimmter Form und Größe, zum Beispiel ein Löffel, ein Würfel oder ein Wassertropfen. Ein Stoff ist das Material, aus dem der Körper besteht, zum Beispiel Eisen, Holz, Glas oder Wasser.
Aus demselben Stoff können ganz verschiedene Körper bestehen: Nagel, Schraube und Pfanne sind aus Eisen. Und Körper mit gleicher Form können aus verschiedenen Stoffen sein: Du kannst einen Würfel aus Holz, Eisen oder Glas haben. Jeder Stoff hat Eigenschaften, an denen man ihn erkennt, zum Beispiel Farbe, Geruch und Härte.
Volumen und Masse
Jeder Körper nimmt Platz ein. Wie viel Platz er braucht, heißt sein Volumen. Die Einheit ist der Kubikzentimeter (cm³). Das ist der Platz eines Würfels, der 1 cm lang, 1 cm breit und 1 cm hoch ist. Für Flüssigkeiten nutzt man Milliliter (ml) und Liter (l). Es gilt: 1 ml ist genau 1 cm³, und 1 l sind 1000 ml. Flüssigkeiten misst du im Messzylinder, einem hohen, schmalen Gefäß mit Skala.
Die Masse sagt, wie schwer ein Körper ist. Du misst sie mit der Waage in Gramm (g) oder Kilogramm (kg). Volumen und Masse sind verschiedene Eigenschaften: Der Holzwürfel und der Eisenwürfel haben dasselbe Volumen, aber verschiedene Massen.
Das Volumen bestimmen
Ein Quader (wie ein Karton) hat Länge, Breite und Höhe. Länge mal Breite sagt, wie viele Würfelchen von 1 cm Kantenlänge in die unterste Schicht passen. Die Höhe sagt, wie viele Schichten übereinander liegen.
Ein unregelmäßiger Körper, zum Beispiel ein Stein, lässt sich nicht ausmessen. Hier hilft Wasser. Lies den Wasserstand im Messzylinder ab. Lege den Körper ganz hinein, er muss untergehen. Der Körper braucht Platz und verdrängt Wasser, darum steigt der Stand. Lies den neuen Stand ab. Der Unterschied der beiden Stände ist das Volumen des Körpers.
Das Volumen einer Schachtel
Das Volumen einer Schachtel
Eine Schachtel ist 10 cm lang, 6 cm breit und 5 cm hoch. Wie groß ist ihr Volumen in cm³ und in ml?
In die unterste Schicht passen 10 mal 6, also 60 Würfelchen. Die Schachtel ist 5 cm hoch, es liegen also 5 solche Schichten übereinander. 60 mal 5 ist 300. Das Volumen beträgt 300 cm³. Wegen 1 cm³ = 1 ml sind das auch 300 ml.
Das Volumen eines Steins
Das Volumen eines Steins
Im Messzylinder stehen 50 ml Wasser. Du legst einen Stein hinein, er geht unter. Der Stand steigt auf 68 ml. Wie groß ist das Volumen des Steins?
Das Wasser ist so weit gestiegen, wie der Stein Platz braucht. Du rechnest neuer Stand minus alter Stand: 68 minus 50 ist 18. Der Stein verdrängt 18 ml Wasser. Wegen 1 ml = 1 cm³ hat er ein Volumen von 18 cm³.
Eigenschaften der Luft
Luft ist ein Stoff, auch wenn du sie nicht siehst. Sie ist ein Gas: Sie hat keine feste Form und füllt jeden Raum aus. Das zeigen drei Versuche:
- Luft nimmt Platz ein. Klemme ein Papiertuch fest an den Boden eines Glases und drücke das Glas mit der Öffnung nach unten in eine Schüssel mit Wasser. Das Papier bleibt trocken, weil die Luft das Wasser nicht hineinlässt.
- Luft hat eine Masse. Ein aufgepumpter Fußball ist schwerer als ein platter. Ein Liter Luft wiegt etwa 1,2 g.
- Luft lässt sich zusammendrücken. Ziehe bei einer Spritze ohne Nadel den Kolben zur Hälfte heraus und halte die Spitze zu. Du kannst den Kolben ein Stück hineindrücken. Mit Wasser in der Spritze geht das kaum.
Teilchenmodell und Aggregatzustände
Alle Stoffe bestehen aus winzigen Teilchen, die man auch im Schulmikroskop nicht sieht. Darum benutzt man ein Modell, eine vereinfachte Vorstellung. Ein Modellauto ist auch nicht das echte Auto, zeigt aber, wie es aufgebaut ist. Im Teilchenmodell zeichnet man Teilchen als Kugeln. Sie sind immer in Bewegung, und zwischen ihnen ist leerer Raum.
Ein Stoff kommt in drei Zuständen vor, den Aggregatzuständen: fest, flüssig und gasförmig. Wasser kennst du als Eis, als Wasser und als Wasserdampf.
| Zustand | Teilchen im Modell | Form und Volumen |
|---|---|---|
| fest | dicht an dicht, jedes an seinem Platz, sie zittern nur | feste Form, festes Volumen |
| flüssig | dicht beieinander, sie gleiten aneinander vorbei | keine feste Form, festes Volumen |
| gasförmig | weit auseinander, sie fliegen kreuz und quer | keine feste Form, kein festes Volumen |
Darum lässt sich Luft zusammendrücken: Zwischen den Gasteilchen ist viel leerer Raum, und sie rücken näher zusammen. Bei Wasser liegen die Teilchen schon dicht an dicht.
Aggregatzustände ändern
Erwärmst oder kühlst du einen Stoff, wechselt er seinen Zustand. Die vier wichtigsten Wechsel haben Namen:
| Wechsel | Name | Beispiel |
|---|---|---|
| von fest zu flüssig | Schmelzen | Eis wird zu Wasser |
| von flüssig zu fest | Erstarren | Wasser wird zu Eis |
| von flüssig zu gasförmig | Verdampfen | Wasser kocht |
| von gasförmig zu flüssig | Kondensieren | Dampf wird an kalter Scheibe zu Tropfen |
Erwärmst du einen Stoff, bewegen sich die Teilchen schneller. Beim Schmelzen verlassen sie ihre Plätze und gleiten aneinander vorbei. Beim Verdampfen lösen sie sich ganz voneinander. Beim Abkühlen werden sie langsamer und halten sich wieder aneinander fest.
Dabei bleiben die Teilchen selbst gleich. Nur Abstand und Bewegung ändern sich. Darum bleibt auch die Masse gleich: Schmilzt ein Eiswürfel von 30 g, wiegt das Wasser danach 30 g. Bei welcher Temperatur ein Stoff schmilzt oder verdampft, erfährst du in der nächsten Lektion.
Zustandswechsel erkennen
Zustandswechsel erkennen
Benenne den Wechsel: a) Butter wird in der heißen Pfanne flüssig. b) Der Badspiegel beschlägt nach dem Duschen mit Tropfen. c) Wasser im offenen Topf kocht und wird weniger.
a) Fest zu flüssig: Schmelzen. Die Teilchen verlassen ihre festen Plätze.
b) Der unsichtbare Wasserdampf in der Luft wird am kalten Spiegel flüssig: Kondensieren. Die Teilchen werden langsamer und rücken zusammen.
c) Flüssig zu gasförmig: Verdampfen. Das Wasser ist nicht weg, es ist als Dampf in der Luft.
Luft ist nichts
Luft ist nichts
Viele denken: Wo man nichts sieht, ist nichts. Ein „leeres“ Glas enthalte nichts, und Luft wiege nichts.
Ein „leeres“ Glas ist voller Luft. Luft ist ein Stoff aus Teilchen. Sie nimmt Platz ein und hat eine Masse. In einem Würfel von 1 m Kantenlänge stecken etwa 1,2 kg Luft.
Wasserdampf ist weiß und sichtbar
Wasserdampf ist weiß und sichtbar
Über dem kochenden Topf steigt eine weiße Wolke auf. Viele denken, das sei Wasserdampf.
Wasserdampf ist gasförmiges Wasser und unsichtbar wie Luft. Die weiße Wolke besteht aus winzigen Wassertröpfchen. Der unsichtbare Dampf ist aufgestiegen und an der kühleren Luft wieder flüssig geworden. Die Teilchen selbst haben sich dabei nie verändert. Nur ihr Abstand und ihre Bewegung waren anders.
Zusammenfassung
Ein Körper ist ein Gegenstand mit Form, ein Stoff ist das Material, aus dem er besteht.
Das Volumen sagt, wie viel Platz ein Körper braucht. Es gilt 1 ml = 1 cm³ und 1 l = 1000 ml. Die Masse sagt, wie schwer er ist.
Das Volumen eines Quaders ist Länge mal Breite mal Höhe. Bei einem unregelmäßigen Körper misst du, wie viel Wasser er verdrängt.
Luft ist ein Stoff: Sie nimmt Platz ein, hat eine Masse und lässt sich zusammendrücken.
Im Teilchenmodell sitzen die Teilchen im Festkörper dicht an ihrem Platz, in Flüssigkeiten gleiten sie aneinander vorbei, in Gasen fliegen sie weit auseinander.
Schmelzen, Erstarren, Verdampfen und Kondensieren sind die vier wichtigsten Wechsel der Zustände. Die Teilchen und die Masse bleiben dabei gleich.
Übungen
Welche Aufzählung nennt nur Stoffe?
Ein Quader ist 6 cm lang, 5 cm breit und 4 cm hoch. Wie groß ist sein Volumen in Kubikzentimetern?
Im Messzylinder stehen 80 ml Wasser. Du legst einen Stein hinein, der untergeht. Der Stand steigt auf 125 ml. Wie viele Kubikzentimeter Volumen hat der Stein?
Ein Eiswürfel hat 25 g Masse und schmilzt ganz zu Wasser. Was gilt danach?
Erkläre mit dem Teilchenmodell, warum sich Luft in einer Spritze zusammendrücken lässt, Wasser aber kaum.