Warum kann Luft zusammengedrückt werden, Wasser aber kaum? Erkläre feste, flüssige und gasförmige Stoffe mit einem einfachen Teilchenmodell und unterscheide Beobachtung von Vorstellung.
Drei kurze Aufgaben helfen dir, deinen Startpunkt zu finden. Wenn du unsicher bist, wähle „Weiß ich noch nicht“.
Entscheide ohne Nachschlagen. Pro Aufgabe passt genau eine Antwort.
Du kannst sehen, dass Wasser fließt oder Eis seine Form behält. Einzelne Wassermoleküle siehst du dabei nicht. Das Teilchenmodell ist eine vereinfachte Vorstellung, mit der wir solche Beobachtungen erklären: Materie besteht aus sehr kleinen Teilchen, zwischen denen Zwischenräume liegen und Kräfte wirken.
„Teilchen“ ist ein Sammelbegriff. Je nach Stoff sind Atome, Moleküle oder Ionen gemeint. Unsere blauen Kreise stehen allgemein für Teilchen eines Modellstoffes. Sie zeigen weder echte Farben noch tatsächliche Größen. Bei Wasser wären die dargestellten Einheiten H₂O-Moleküle.
Gießt du Wasser in ein anderes Gefäß, passt es seine Form an. Das kannst du sehen.
Die Wassermoleküle liegen dicht beieinander und können ihre Plätze gegeneinander verändern. Dadurch kann die Flüssigkeit fließen.
Das Teilchenbild ist eine vereinfachte Erklärung, keine Kameraaufnahme.
Wähle einen Zustand und starte die Bewegung. Beobachte Abstände, Nachbarschaften und Beweglichkeit. Anzahl, Art und Größe der Modellteilchen bleiben gleich.
Fest: Teilchen haben im Modell feste Nachbarn und schwingen um ihre Plätze. Der Körper behält seine Form.
Vorhersagen und überprüfen: Starte beim Feststoff. Sind dessen Teilchen unbeweglich? Wechsle anschließend zum Gas: Werden die einzelnen Kreise größer?
Im Feststoff schwingen die Teilchen um feste Plätze. Beim Gas sind vor allem ihre Abstände größer; die einzelnen Teilchen wachsen nicht. Die Pause stoppt nur die Darstellung.
Die Bewegung startet erst auf Wunsch. Die Auswahl vergleicht drei Zustände, sie simuliert keinen Heizvorgang. Das Gas ist zur besseren Sichtbarkeit viel dichter gezeichnet als ein typisches Gas im Vergleich zur Flüssigkeit. Teilchenzahl und Kreisgröße bleiben gleich. Die Bewegungen sind schematisch; genaue Stöße und Kräfte werden nicht berechnet.
Im Modell: Teilchen sind eng benachbart und schwingen um ihre Plätze.
Deshalb: Der Körper behält bei gleichen Bedingungen seine Form und ungefähr sein Volumen.
Im Modell: Teilchen liegen dicht beieinander, können aber aneinander vorbeigelangen.
Deshalb: Die Flüssigkeit passt sich der Gefäßform an. Ihr Volumen ändert sich bei mäßigem Druck kaum.
Im Modell: Die Teilchen bewegen sich mit großen Abständen durch den verfügbaren Raum.
Deshalb: Ein Gas füllt den Behälter aus und lässt sich leicht zusammendrücken. Kleiner werden die Zwischenräume.
Die regelmäßige Anordnung zeigt einen vereinfachten kristallinen Festkörper. Nicht alle Feststoffe sind kristallin; Glas ist ein Gegenbeispiel. Bei Wasser ist außerdem die besondere Eisstruktur zu beachten: Eis beansprucht mehr Volumen als dieselbe Masse flüssigen Wassers.
| Übergang | Name | Beispiel |
|---|---|---|
| fest → flüssig | Schmelzen | Ein Eiswürfel wird zu Wasser. |
| flüssig → fest | Erstarren | Wasser gefriert zu Eis. |
| flüssig → gasförmig | Verdampfen | Wasser geht in die Gasphase über. |
| gasförmig → flüssig | Kondensieren | Wassertröpfchen entstehen am kalten Spiegel. |
| fest → gasförmig | Sublimieren | Trockeneis geht bei gewöhnlichem Luftdruck direkt in die Gasphase über. |
| gasförmig → fest | Resublimieren | Wasserdampf bildet unter passenden Bedingungen Reif. |
Beim Zustandswechsel bleiben die chemischen Stoffe dieselben. Beim Schmelzen von Eis werden keine Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Eine solche Zerlegung wäre eine chemische Reaktion.
Eis: H2O (s) · flüssiges Wasser: H2O (l) · Wasserdampf: H2O (g)
Die Klammer beschreibt den Zustand: (s) fest, (l) flüssig, (g) gasförmig. Die Formel H2O und damit der Aufbau eines Wassermoleküls bleiben gleich.
Warum trocknet eine Pfütze, obwohl das Wasser nicht kocht? „Verdampfen“ ist der Oberbegriff für den Übergang von flüssig zu gasförmig. Dazu gehören Verdunsten und Sieden.
Einzelne Teilchen können die Flüssigkeit an ihrer Oberfläche verlassen. Das nennt man Verdunsten; es geschieht auch unterhalb der Siedetemperatur. Eine größere Oberfläche und das Abführen feuchter Luft können das Trocknen beschleunigen. Deshalb trocknet ausgebreitete Wäsche häufig schneller als ein dicht zusammengelegtes Stück.
Beim Sieden entstehen dagegen Dampfblasen im Inneren der Flüssigkeit. Die Siedetemperatur hängt vom Druck ab. Reines Wasser siedet bei ungefähr 1013 hPa bei etwa 100 °C; auf einem hohen Berg liegt die Temperatur niedriger. „Wasser verdampft erst bei 100 °C“ ist daher falsch.
Der weiße Nebel über heißem Wasser besteht aus winzigen flüssigen Tröpfchen. Gasförmiges Wasser selbst ist unsichtbar. Kühlt feuchte Luft ab, kann ein Teil des Wasserdampfs kondensieren und als Tröpfchen sichtbar werden.
Innerhalb eines Zustands führt Erwärmen häufig zu stärkerer thermischer Bewegung. Ein einzelnes Teilchen hat dabei nicht die Temperatur einer ganzen Probe: Temperatur beschreibt einen Zustand sehr vieler Teilchen. Die Geschwindigkeit einzelner Teilchen ist unterschiedlich.
Während ein reiner Stoff bei konstantem Druck schmilzt oder siedet, kann Energie zugeführt werden, obwohl seine Temperatur annähernd gleich bleibt. Die Energie wird für die Zustandsänderung benötigt. Erst nachdem der Übergang abgeschlossen ist, kann weitere Energie wieder zu einer Temperaturerhöhung führen.
Beim Abkühlen und Erstarren beziehungsweise Kondensieren wird Energie an die Umgebung abgegeben. Dass Eis beim Schmelzen Wärme aufnimmt, erklärt seine kühlende Wirkung. Nicht jedes Erwärmen führt sofort zum Schmelzen oder Sieden; der Zustand hängt von Stoff, Temperatur und Druck ab.
Bei gewöhnlichem Luftdruck kann zugeführte Wärme zunächst weiteres Eis schmelzen. Solange Eis und flüssiges Wasser im Gleichgewicht zusammen vorliegen, bleibt die Temperatur ungefähr bei 0 °C. Die Energie verändert die Anordnung und die Wechselwirkungen zwischen den Molekülen; sie zerlegt keine H₂O-Moleküle.
Ist alles Eis geschmolzen, kann zusätzliche Wärme die Temperatur des flüssigen Wassers erhöhen.
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Teilchen schwingen um feste Plätze
Die Teilchen sind eng benachbart und führen thermische Bewegung um ihre Plätze aus.
Ihre Teilchen können aneinander vorbeigelangen
Die Nachbarschaften können sich ändern, obwohl die Teilchen dicht beieinanderliegen.
Große mittlere Abstände zwischen Teilchen
Die Teilchen bewegen sich mit großen Abständen durch den verfügbaren Raum.
Schmelzen
Beim Schmelzen wird ein Feststoff flüssig; der Stoff bleibt chemisch derselbe.
Kondensieren
Beim Kondensieren entstehen aus der Gasphase flüssige Bereiche, etwa Wassertröpfchen.
Sublimieren
Sublimation führt ohne flüssigen Zwischenzustand vom Feststoff in die Gasphase.
Die Zwischenräume
Gas lässt sich leicht komprimieren, weil große Zwischenräume vorhanden sind.
Die Moleküle bleiben H₂O
Beim Zustandswechsel ändern sich Anordnung und Abstände, nicht die chemische Zusammensetzung der Moleküle.
Verdunsten an der Oberfläche
Verdunsten kann unterhalb der Siedetemperatur stattfinden.
Dampfblasen entstehen im Inneren
Beim Sieden bilden sich Dampfblasen innerhalb der Flüssigkeit.
Winzigen flüssigen Wassertröpfchen
Gasförmiges Wasser ist unsichtbar. Sichtbar werden kleine Tröpfchen nach Kondensation.
Mehr Teilchen können die Flüssigkeit an der Oberfläche verlassen
Eine größere Oberfläche kann die Verdunstung unter vergleichbaren Bedingungen fördern.
Die Energie wird zum Schmelzen benötigt
Während der Zustandsänderung kann Energie aufgenommen werden, ohne dass die Temperatur bei konstantem Druck steigt.
Energie wird an die Umgebung abgegeben
Der Übergang in die flüssige Phase setzt unter den entsprechenden Bedingungen Wärme frei.
„Wasser fließt“ ist eine Beobachtung, Teilchenbewegung erklärt sie
Modelle helfen, Beobachtungen zu erklären, und bilden die Wirklichkeit vereinfacht ab.
Luftdruck
Die Siedetemperatur hängt vom Druck ab und sinkt bei geringerem Umgebungsdruck.
Es bildet weder jedes Glas noch die besondere Eisstruktur vollständig ab
Nicht alle Feststoffe sind kristallin; Eis hat zudem eine besondere Struktur mit größerem Volumen als dieselbe Wassermasse.
Die Pause ist nur eine Bedienhilfe
Ein angehaltenes Modellbild erleichtert das Betrachten. Es beschreibt keinen Stillstand realer Teilchen.
Bearbeite drei weitere Aufgaben ohne Nachschlagen. Nutze die Rückmeldung, um gezielt weiterzulernen.
Entscheide ohne Nachschlagen. Pro Aufgabe passt genau eine Antwort.
Die Aufgaben sind unterschiedlich. Die Ergebnisse geben dir eine kurze Orientierung zu deinem Lernstand.
Erst selbst lösen, dann die Lösung öffnen.
Nein. Im dargestellten Modell schwingen sie um ihre Plätze.
Ein Gas besitzt große Zwischenräume, die beim Zusammendrücken kleiner werden können. In einer Flüssigkeit liegen die Teilchen bereits dicht beieinander.
Nein. Vor allem ihre mittleren Abstände und ihr Bewegungsverhalten ändern sich.
Verdunsten geschieht an der Oberfläche auch unterhalb der Siedetemperatur. Beim Sieden bilden sich Dampfblasen im Inneren.
Die sichtbaren Bestandteile sind flüssige Wassertröpfchen. Wasserdampf als Gas ist unsichtbar.
Nein. Bei einem Zustandswechsel eines reinen Stoffes unter konstantem Druck kann die Temperatur trotz Energiezufuhr annähernd gleich bleiben.
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