Aggregatzustände im Teilchenmodell

Alkohol und Wasser-Mischung ... eine Zauberei

VERSUCH: Durchführung: Man misst in zwei Messzylindern jeweils 50 ml Wasser und 50 ml reinen Alkohol ab. Dann gibt man beide Flüssigkeiten zusammen. Beobachtung: Das Gemisch hat ein Volumen von etwa 98 ml. Deutung: Mit unserem beisherigen Wissen lässt sich diese Phänomen nicht verstehen. Wir müssen uns daher genauer anschauen, was Materie tatsächlich ist.

Das Ergebnis lässt sich erklären, indem man davon ausgeht, dass beide Stoffe aus kleinsten Teilchen aufgebaut sind. Ist eines der Teilchen sehr viel größer als das andere, so wird bei der Mischung Platz frei, denn die kleinen Teilchen nehmen Platz ein, der vorher unbesetzt war.

Hier sind die Stoffe unvermischt und durch eine Trennwand von einander getrennt. Man sieht deutlich, dass bei dem Stoff mit den größeren Teilchen größere Zwischenräume leer sind.		Der Mischvorgang ist bei begrenztem Raum zu langsam, weshalb den Teilchen mehr Platz gegeben wird und die Geschwindigkeit erhöht wird.		Nachdem die Geschwindigkeit wieder reduziert wurde sieht man, dass das Gemisch wesentlich weniger Platz einnimmt, als die Einzelstoffe vorher. Die großen Teilchen sind verteilt in den kleinen und diese ordnen sich eng an die großen Teilchen an. Es gibt keine größere Lücken wie vorher.

Der Vorgang kannst du dir noch einmal ausführlich in einem Film (ohne Ton) anschauen.

Teilchenmodell

Die Teilchen, aus denen unsere Materie aufgebaut ist, sind so klein, dass man sie mit keinem Mikroskop wirklich sehen kann. Bilder wie die folgenden sind Computer-Darstellungen, die aufgrund von Messungen in Elektronen- oder Rasterelektronenmikroskopen möglich sind. Solche Elektronenmikroskope erlauben trotzdem einen gewissen Einblick in die Welt der Teilchen, denn sie können die Anordnung der kleinsten Teilchen deutlich machen, ebenso wie Größenunterschiede, wenn man verschiedene Teilchen in der Probe hat.

Hier sieht man eine Elektronenmikroskop- aufnahme eines Gold-Kristalls.		Die Oberfläche von Graphit.

Grundregeln zum Teilchenmodell: Alle Stoffe bestehen aus kleinsten Teilchen und zwischen den Teilchen ist leerer Raum. Die Teilchen verschiedener Stoffe unterscheiden sich in Größe und Masse. Alle Teilchen sind ständig in Bewegung. Je höher die Temperatur, desto schneller bewegen sich die Teilchen. Zwischen den Teilchen gibt es Anziehungskräfte, die bei verschiedenen Stoffen unterschiedlich stark ist.

WICHTIG: Man muss sich bewusst sein, dass das Teilchenmodell nur ein Hilfsmittel ist, den Aufbau der Materie und das Verhalten der Stoffe zu verstehen. Viele Dinge können damit nicht erklärt werden. Für uns reicht es aber im Moment, dieses einfache Teilchenmodell zu verwenden, mit dem wir dann auch verschiedene Aggregatzustände und die typischen Eigenschaften der Stoffe in einem bestimmten Aggregatzustand erklären können.

Häufig auftretende Fehler:

• Die Eigenschaften eines Stoffes ergeben sich erst aus der Anhäufung von mehreren Teilchen. Die Anziehung der Teilchen untereinander ist natürlich auch bei zwei Teilchen vorhanden.
• So hat ein kleinstes Teilchen keine Farbe. Die Farbe in den Elektronenmikroskop-Aufnahmen sind vom Computer erzeugt! Ein Farbeindruck entsteht dadurch, das ein Teil des weißen Licht durch den Gegenstand, den wir betrachten, verschluckt wird (Absorption). Das sichtbare Restlicht ergibt den Farbeindruck eines Gegenstandes (siehe  Remission ). Und einzelne Teilchen können kein Licht zurückwerfen, da sie zu klein sind.

Teilchenmodell anwenden und verstehen lernen

Es ist sicherlich schwer, etwas zu verstehen, was man ja eigentlich nicht sehen kann. Das Teilchenmodell kann aber in Simulationsprogrammen nachgestellt werden. Man kann dabei die Teilchen und deren Eigenschaften sowie die Eigenschaften der Umgebung festlegen. Als Hilfe zum Verstehen des Teilchenmodells nun ein paar Videos, zu denen es Kontrollfragen gibt. Frage nach, falls du Fragen falsch beantwortest und auch nicht verstehen kannst, warum es falsch ist.

Schau dir den Film einmal an, bevor du die Fragen bearbeitest! Schau dir die Teilchen an. Welche der drei Teilchen-Arten ziehen sich untereinander am stärksten an? Teilchen 2 Teilchen 1 Teilchen 3 Welche Farbe hat der Stoff, in dem die Teilchen 3 enthalten sind? Kann man nicht sagen! Gelb Rot Müssen die Teilchen hier im Modell unterschiedlich groß sein? Die Größe der Teilchen ist sowieso nicht festgelegt und daher muss man hier auch nicht auf die Größe achten. Nein, denn es ist ja nur ein Modell, mit dem ich einige Eigenschaften verdeutlichen kann. Ja, denn bei verschiedenen Stoffen hat man andere Teilchen prüfen!

Du kannst dir den Film anschauen, oder aber die Simulationsdatei selber nutzen, wenn du magst. Dazu kannst du auf der Seite SimChemistry nutzen schauen, wie du das Programm starten kannst. Hier kannst du die Datei herunterladen. Wenn wir einen warmen Gegenstand anfassen, spüren wir an unserer Hand ... die Temperatur der Teilchen. das der Stoff eine hohe Schmelztemperatur hat. die Reibung der Teilchen. Wie kommt es, dass warmes Wasser seine Wärme an das Metall abgibt, dass ins Wasser eintaucht? Das warme Wasser lässt das Metall schmelzen,, wodurch es warm wird. Die schnellen Wasserteilchen stoßen an die Metallteilchen an. Die Schieberegler-Skala geht nur bis 5 K, wobei das K für die Temperatureinheit  Kelvin  steht. Man sagt, bei 0 K ist der absolute Nullpunkt und es gibt keine tieferen Temperaturen. Wie lässt sich das mit dem Teilchenmodell erklären? Bei 0 K stehen die Teilchen still. Langsamer geht nicht. Das ist eine physikalische Konstante und damit festgelegt. Es gibt keine Kühlgeräte, die stark genug sind. prüfen!

Teilchenmodell und Temperatur

Was im MC-Test angesprochen nun noch einmal, etwas ausführlicher, als Text zum auffüllen.

Die Bewegung der Teilchen ist eine Art von Energie (                    ), die der Stoff                     kann. Die von außen zugeführte Energie lässt die Teilchen deshalb                     . Umgekehrt, wenn eine Stoff abgekühlt wird, geben die Teilchen ihre                     an die Umgebung weiter, indem sie andere Teilchen                     und selber dabei langsamer werden. Der                     bedeutet einen Verlust an Energie und damit Wärme.

Dass die Teilchen sich bei einem heißen Stoff schneller                     , können wir mit der Hand spüren. Die schnelle Bewegung der Teilchen erzeugt                     , die wir an der                     fühlen. Bei einer kalten Oberfläche ist es eher umgekehrt. Die Teilchen in unser 37°C warmen Hand können die                     des Stoffes in Bewegung bringen, wordurch dieser eine                     hat.

Wenn die Temperatur eines Stoffes mit der                     zusammenhängt, dann ist es auch klar, warum man sagt, dass es einen                     gibt. Denn wenn ein Stoff immer mehr abgekühlt wird, wird ja damit auch die                     langsamer. Diese Abkühlung kann                     , bis die Teilchen (zumindest theoretisch)                     . Dies soll bei                     , oder auch 0 K der Fall sein.

kinetische Energieabsoluten Nullpunktnur soweit gehenhöhere TemperaturTeilchenBewegungsenergieGeschwindigkeit der Teilchenschneller bewegenin sich aufnehmenHand-273°Cstill stehenVerlust an GeschwindigkeitReibungswärmeBewegung der Teilchenanstoßenbewegen

Viele Teilchen bei unterschiedlichen Temperaturen

Beobachtet man viele Teilchen auf einmal, so hat die Änderung der Geschwindigkeit auf jedes einzelne Teilchen den gleichen Effekt, wie auf ein einzelnes Teilchen, dass alleine ist. Allerdings sieht das Ganze dann etwas anders aus:

Hinweis: Das die Teilchen nach unten fallen, bzw. sich eher weiter unten aufhalten hat damit zu tun, dass eine Schwerkraft simuliert wird. Wenn die ausgeschaltet wäre, würden auch langsame oder zusammenhängende Teilchen nicht "unten" liegen sondern herumschweben. Die Position der Teilchen hat also eher einen geringere Bedeutung.

Es fällt auf, dass es beim Aussehen der Teilchenmenge deutliche Unterschiede gibt. Man kann im Grunde genommen drei verschiedene Arten der Anordnung der Teilchen festhalten.

Bei sehr niedrigen Temperaturen ist die Bewegung der Teilchen sehr langsam. Die Teilchen sind ganz nah beieinander, haben eine feste Position und bewegen sich nur wenig an ihrer Stelle. Dies ist möglich, weil wegen der langsamen Geschwindigkeit, die Anziehung zwischen den einzelnen Teilchen gut wirken kann.		Bei sehr hohen Temperaturen sind die Teilchen sehr schnell. Sie ziehen sich natürlich immer noch an, aber wegen der schnellen Bewegung kann die Anziehung kaum wirken. So sind die Teilchen weit im Raum verteilt.		Bei mittleren Temperaturen sind die Teilchen zwar auch recht eng beeinander, sind aber nicht - wie bei sehr niedrigen Temperaturen - fest an einer Stelle. Sie bewegen sich in aneinander vorbei, hin und wieder kann ein Teilchen mal die Gruppe verlassen. Da die Geschwindigkeit nicht so hoch wie bei den gasförmigen Soffen ist, kann die Anziehung zwischen den Teilchen etwas wirken, wodurch sie sich meist nicht voneinander entfernen können.

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Aggregatzustände im Teilchenmodell

Die drei Aggregatzustände haben wir schon behandelt. Wir wollen nun das Teilchenmodell auf sie anwenden und verstehen, wie die Existenz und die schon genannten Eigenschaften der kleinsten Teilchen die typischen Eigenschaften von festen, flüssigen und gasförmigen Stoffen erklärbar machen.

Aufgabe 1 Dazu vorab eine kleine Übung. Es werden einige Eigenschaften genannt, die du dem jweilligen Aggreatzustand zuordnen sollst. Versuche die Eigenschaft richtig zuzuordnen. Zeige die Lösung vor und du bekommst ein Arbeitsblatt, auf dem die Informationen festgehalten sind.

Stoffe in gasförmigen Zustand

Stoffe in flüssigen Zustand

Stoffe in festen Zustand

Die Form ist veränderlich und der Stoff passt sich an die Form des Gefäßes an.Die Form ist veränderlich, denn der Stoff füllt ein Gefäß, gleich welcher Form, komplett aus.Das Volumen ist veränderlich, denn in einer geschlossenen Spritze kann man den Stoff zusammendrücken.Das Volumen ist unveränderlich und ein Zusammendrücken ist nicht möglich.Die Form des Stoffes ist unverändert, und er passt sich nicht an die Form eines Gefäßes an.Der Stoff verteilt sich von alleine im Raum.Das Volumen ist so gut wie nicht veränderlich, denn in einer geschlossenen Sprite kann man den Stoff quasi nicht zusammendrücken.Der Stoff ist schwer teilbar.Der Stoff ist leicht teilbar.Der Stoff ist schwer verformbar

Nun stellt sich die Frage, wie man diese Eigenschaften erklären lassen.

• Film, wie ein Stoff erhitzt wird. von warm bis kalt, damit man alle Zustände sieht.
  • Erhitzen = schnellere Teilchen und auch Erhitzen = Schmelzen und verdampfen

Ergänzend

Wen es interessiert, wie die Elektronenmikroskopie bei einem Rasterelektronenmikroskop funktioniert, kann diesen Film anschauen.