„Alle Dinge bestehen aus Atomen – kleine Teilchen, die sich ewig bewegen, einander anziehen, wenn sie etwas Abstand haben, jedoch abstoßen, wenn sie gegeneinandergedrückt werden."– Richard Feynman
Mit diesem Satz antwortete Richard Feynman auf die Frage, welche die wichtigste Erkenntnis aus der Physik sei und der Nachwelt überliefert werden sollte. Gleichzeitig fasste er damit die Kerneigenschaften des Stoffteilchenmodells zusammen. Aber was genau ist eigentlich dieses Stoffteilchenmodell?
Physikalische Modelle
Bevor wir uns das Stoffteilchenmodell (kurz: Teilchenmodell) genau anschauen, klären wir erst mal die Frage, was ein physikalisches Modell ist und wie du solche Modelle nutzen kannst.
In der Physik setzen wir uns oft mit komplexen Phänomen auseinander, die unseren alltäglichen Erfahrungen widersprechen. Modelle helfen uns, die Welt besser zu verstehen.
Ein Modell ist eine vereinfachte Abbildung eines realen Objekts oder Sachverhalts. Modelle sind also Annäherungen an die Wirklichkeit. In einem Modell werden oftmals nur die wichtigsten Eigenschaften eines Phänomens berücksichtigt und viele Details ausgelassen.
Durch Modelle können wir komplexe Zusammenhänge verständlicher machen, einen Überblick gewinnen und zu neuen Erkenntnissen gelangen.
Wir unterscheiden zwei verschiedenen Arten von Modellen:
- materiellen Modelle, zum Beispiel eine Modelleisenbahn
- gedanklichen Modellen, zum Beispiel Theorien oder mathematische Gleichungen
Ein wichtiges Beispiel für ein solches Modell ist das Stoffteilchenmodell. Du kannst es den gedanklichen Modellen zuordnen.
Das Teilchenmodell
Das Teilchenmodell zählt zu den wichtigsten Modellen in der Physik, aus ihm können wir viele physikalische Prozesse ableiten, zum Beispiel die verschiedenen Aggregatzustände der Materie. Aber auch das Teilchenmodell ist lediglich eine Annäherung an die Realität.
Das Teilchenmodell beschreibt den Aufbau von Materie. Es besagt, dass jegliche Materie aus kleinsten Teilchen – Atomen und Molekülen – besteht, die sich bewegen und miteinander interagieren: sie ziehen sich an oder stoßen sich ab. Die Eigenschaften und Bewegungen dieser Teilchen bestimmen wesentliche Merkmale eines Stoffes.
Die Teilchen in diesem Modell kannst du dir ein bisschen wie Murmeln vorstellen, die durch den Raum kugeln und gelegentlich gegeneinander stoßen.
Abbildung 1: Murmeln
Die Vorstellung von kleinsten, unteilbaren Teilchen gab es bereits in der Antike. Heute wissen wir mit Sicherheit, dass es diese Teilchen gibt. Wir nennen sie Atome. Atome selbst bestehen noch mal aus kleineren Teilchen: Protonen, Neutronen und Elektronen.
Im einfachen Teilchenmodell beschränkt man sich meist auf die Atome bzw. Moleküle (also eine chemische Verbindung von mehreren Atomen, ein Wassermolekül besteht zum Beispiel aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom).
Diese Teilchen werden in sehr vereinfachter Weise als runde Kugeln dargestellt. Manchmal werden auch andere geometrische Körper wie Dreiecke oder Quadrate im Modell verwendet, um zwischen verschiedenen Stoffen zu unterscheiden. In einem reinen Stoff haben die Kugeln alle dieselbe Größe, Farbe und Form.
Für die kleineren Teilchen gibt es eigene Modelle, zum Beispiel das Standardmodell der Elementarteilchen. Dieses beschriebt die kleinsten bekannten Bausteine der Materie, also Quarks, Photonen oder das Higgs-Boson.
Die wichtigsten Eigenschaften des Teilchenmodells lassen sich in drei Kernaussagen zusammenfassen:
Die drei Kernaussagen des Teilchenmodells in der Physik
- Materie besteht aus kleinsten Teilchen mit bestimmten Eigenschaften wie Größe, Masse und Form. In reinen Stoffen sind diese zueinander identisch (homogen). In gemischten Stoffen sind sie verschieden (heterogen).
- Die Teilchen in einem Stoff üben Kräfte aufeinander aus, sie ziehen sich an oder sie stoßen sich ab.
- Die Teilchen befinden sich in ständiger Bewegung.
Abbildung 2: Teilchenmodell
Mit dem Teilchenmodell lässt sich erklären, warum Stoffe in verschiedenen Zuständen vorkommen können. Diese Zustände bezeichnest du als Aggregatzustände.
Teilchenmodell – Stoffzustände und Temperatur
Wenn du im Winter eine Hand voll Eis nimmst und auf dem Herd erhitzt, kannst du den Übergang verschiedener Aggregatzustände – von fest zu flüssig zu gasförmig – beobachten. Das feste Eis schmilzt und zurück bleibt flüssiges Wasser. Erhitzt du das Wasser weiter, fängt es an zu verdampfen, bis schließlich nichts mehr im Topf übrig ist.
Aus dieser Beobachtung, hast du vielleicht schon vermutet, dass die verschiedenen Aggregatzustände etwas mit der Temperatur zu tun haben. Und du hast recht! Schauen wir uns also zunächst mal an, was Temperatur in der Physik eigentlich ist.
Der Begriff der Temperatur in der Physik
Im Alltag definieren wir Temperatur meistens anhand unseres persönlichen Gefühls von warm oder kalt. Das ist meistens sehr ungenau. Genauer wird es dann schon, wenn wir die Temperatur einer Winternacht oder von kochendem Wasser messen.
In der Physik spielt Temperatur eine wichtige Rolle, da sich Stoffe bei verschiedenen Temperaturen unterschiedlich verhalten. Mit Hilfe des Teilchenmodells lässt sich Temperatur erklären:
In der Physik ist Temperatur ein Maß für die mittlere Geschwindigkeit von Teilchen. Je schneller sich Teilchen in einem Stoff bewegen, desto höher seine Temperatur. Bewegung wird in der Physik auch als kinetische Energie verstanden: etwas das schnell ist, hat auch viel kinetische Energie.
Die Messung der Temperatur
Die Temperatur geben wir in Deutschland und einigen anderen Ländern mit Grad Celsius an, in Amerika benutzt man die Einheit Fahrenheit. In der Physik gibt es eine eigene Skala für die Messung von Temperatur: die Kelvin-Skala.
Null Kelvin entsprechen –273,15 Grad Celsius – diese Temperatur bezeichnest du auch als absoluten Nullpunkt. In der Theorie ist das die unterste Grenze für Temperatur – kälter wird es nicht.
Wir wissen jetzt, dass die Bewegung von Teilchen und Temperatur zusammenhängen. Jetzt können wir uns die verschiedenen Aggregatzustände im Teilchenmodell genauer anschauen.
Abbildung 3: Celsius- und Kelvin-Skala
Teilchenmodell – Aggregatzustände
Die Aggregatzustände gehören zu den wichtigsten Folgerungen aus dem Teilchenmodell. Sie beschreiben den Zustand, in dem sich ein Stoff befindet und sind von Temperatur und Druck abhängig. Die nachfolgende Abbildung gibt dir einen kurzen Überblick.
Abbildung 4: Die Aggregatzustände
Jetzt wollen wir uns die verschiedenen Aggregatzustände anhand des Teilchenmodells genauer anschauen.
Der feste Aggregatzustand
Kehren wir zurück zu unserem Wintertag und der Handvoll Eis. Was würde passieren, wenn wir genauer hinschauen? So genau, dass wir die einzelnen Teilchen ausmachen können?
Lass uns die drei Kernaussagen Schritt für Schritt auf das Eis anwenden:
1. Materie besteht aus kleinsten Teilchen mit bestimmten Eigenschaften wie Größe, Masse und Form. In reinen Stoffen sind diese zueinander identisch (homogen).
Eis ist gefrorenes Wasser. Die kleinsten Teilchen sind in diesem Fall also Wassermoleküle (H₂O). Die einzelnen H₂O-Moleküle besitzen alle dieselbe Größe, Form und Masse. Würden wir einen anderen Festkörper im Teilchenmodell betrachten, zum Beispiel Salz, sähen dessen Teilchen ganz anders aus. In der Physik (und der Chemie) wird ein einziges Wassermolekül meistens so dargestellt:
Abbildung 5: Wassermolekül
Die Abbildung zeigt ein größeres Sauerstoffatom (O), an welches zwei Wasserstoffmoleküle (H) gebunden sind. Die einzelnen Atome in diesem Modell eines Wassermoleküls folgen ebenfalls der Aussage des Teilchenmodells. Das Sauerstoffatom unterscheidet sich in seiner Größe und seinen Eigenschaften von den beiden Wasserstoffatome. Die beiden Wasserstoffatome gehören dagegen zum selben Element, deshalb sind sie absolut identisch.
2. Die Teilchen in einem Stoff üben Kräfte aufeinander aus, sie ziehen sich an oder sie stoßen sich ab.
Eis befindet sich in einem festen Zustand, weil die Wassermoleküle eine sehr starke Anziehungskraft aufeinander ausüben. Die Moleküle gehen über die Kräfte Bindungen miteinander ein. Diese Regel kannst für allgemein für Festkörper formulieren:
Im festen Aggregatzustand wirken starke Anziehungskräfte zwischen den Teilchen und verleihen diesen ihre Stabilität.
In der folgenden Abbildung siehst du die Struktur, die Wassermoleküle in Eis bilden. Bei den roten Teilchen handelt es sich um Sauerstoff, bei den weißen um Wasserstoff. Du siehst, dass die Wasserstoffatome zueinander zeigen. Die Moleküle sind also über die Wasserstoffatome verbunden – diese Bindungen werden als Wasserstoffbrückenbindungen bezeichnet.
Abbildung 6: Molekulare Struktur von Eis
Die regelmäßigen Anordnungen bezeichnest du auch als kristalline Strukturen. In den meisten Festkörpern sind die Moleküle geordnet, aber es gibt auch solche mit ungeordneten Strukturen. Diese bezeichnest du als amorph.
Durch diese Bindungen erhalten Festkörper ein bestimmtes Volumen und passen sich in ihrer Form nicht ihrem Behälter an.
3. Die Teilchen befinden sich in ständiger Bewegung.
Inzwischen kennen wir den Zusammenhang von Temperatur und Teilchenbewegung!
Je schneller sich die Teilchen in einem Stoff bewegen, desto höher dessen Temperatur.
Eis ist ziemlich kalt, daraus können wir schlussfolgern, dass sich die Teilchen nur langsam bewegen.
Tatsächlich können sich die Teilchen in Festkörpern nicht frei bewegen, schließlich sind sie durch ihre Anziehungskräfte fest aneinander gebunden. Stattdessen schwingen die Teilchen in Festkörpern um ihre Ruhelage, sie haben eine geringe kinetische Energie. (Du kannst dir das ein bisschen wie vibrierende Kugeln vorstellen.)
Abbildung 7: Teilchenmodell eines Festkörper
Inzwischen fragst du dich vielleicht, warum manche Stoffe fest sind, obwohl sie viel wärmer als Eis sind. Das liegt an ihrem Schmelzpunkt. Dieser ist für unterschiedliche Stoffe unterschiedlich hoch.
Der Schmelzpunkt ist die Temperatur, bei der die Verbindungen zwischen den Teilchen sich lösen. Da die Teilchen unterschiedliche Verbindungen eingehen, die unterschiedlich stark sind, haben sie verschiedene Schmelzpunkte. Die Wasserstoffbrückenbindungen in Eis sind relativ schwache Kräfte, deshalb schmilzt Eis schon knapp über 0°C, während Eisen erst bei Temperaturen von über 1500°C flüssig wird.
Jetzt kannst du die verschiedenen Eigenschaften von Festkörpern im Teilchenmodell anhand des Beispiels von Wasser erklären. In anderen Festkörpern funktioniert das Prinzip gleich.
In der Physik gibt es einen eigenen Bereich, der sich mit den Eigenschaften von Stoffen im festen Aggregatzustand beschäftigt:Die Festkörperphysik.
Der flüssige Aggregatzustand
Jetzt erhitzen wir das Eis, bis es schmilzt und in seinem flüssigen Zustand vorliegt. Was hat sich verändert?
Die Teilchen bleiben dieselben, sie verändern sich nicht. Die einzelnen Wasserstoffatome sind noch immer homogen (einheitlich) in ihrer Form, Größe und Masse. Stattdessen verändert sich ihr Verhältnis zueinander.
Wenn du etwas erwärmst, führst du ihm Energie zu. Die Teilchen fangen an immer schneller zu schwingen bis sich schließlich ihre Bindungen lockern und sie sich etwas bewegen können. Irgendwann ist der Schmelzpunkt erreicht, jetzt geht der Stoff von einem festen in einen flüssigen Zustand über.
Die Teilchen können nun untereinander die Plätze tauschen und auch der Abstand zwischen den Teilchen wird größer. Deshalb dehnen sich die meisten Stoffe beim Erwärmen aus. Der Stoff hat jetzt keine feste Form mehr und kann sich seinem Behälter anpassen.
Abbildung 8: Teilchenmodell einer Flüssigkeit
Nicht nur flüssige Körper nehmen mehr Raum ein, die meisten Stoffe dehnen sich beim erhitzen aus. Auch dann, wenn sie ihre feste Form noch behalten. Diesen Effekt kannst du manchmal im Sommer erleben, wenn du zum Beispiel versuchst eine Tür mit einem Metallschloss aufzusperren. Durch die wärmere Umgebung dehnt sich das Metall des Verschlusses aus und die Tür klemmt ein wenig.
Dennoch existieren noch immer Kräfte zwischen den Teilchen. Das siehst du zum Beispiel, wenn du ein Glas Wasser bis an den Rand füllst. Wenn du jetzt vorsichtig immer mehr Wasser hinzugibst, lässt sich das Glas sogar über den Rand füllen.
Es entsteht eine hauchdünne Wölbung über dem Rand, das Wasser gleicht einer gespannten Membran. Das Phänomen nennst du auch Oberflächenspannung. Die Teilchen wirken anziehende Kräfte aufeinander aus und halten bis zu einem gewissen Grad die Oberflächenspannung aufrecht.
Abbildung 9: Oberflächenspannung in einem Glas (Quelle:kids-and-science.de)
Der gasförmige Aggregatzustand
Bei 100°C beginnt das Wasser an zu kochen, jetzt steigt Dampf auf bis schließlich nichts mehr im Topf übrig ist. Durch die starke Erhitzung, lösen sich die Verbindungen zwischen den Molekülen endgültig, die intermolekularen Anziehungskräfte sind nur noch sehr gering. Die einzelnen Teilchen können sich nun frei im Raum bewegen und werden dabei immer schneller.
Abbildung 10: Teilchenmodell von Gasen
In der theoretischen Physik wird oftmals mit einem sogenannten "idealen Gas" gearbeitet. Dieses besitzt die folgenden Eigenschaften:
- Die Moleküle des idealen Gases haben keine Ausdehnung im Raum.
- Zwischen den Molekülen existieren keine anziehenden oder abstoßenden Kräfte mehr.
- Die Teilchen interagieren nur über elastische Stöße miteinander und ihrem Gefäß.
- Die Abstände zwischen den Teilchen sind größer als der Durchmesser eines einzelnen Teilchens.
Die Vorstellung des idealen Gases ist allerdings auch nur ein Modell. Durch dieses Modell lassen sich viele Berechnungen leichter ausführen. In der Realität wirken auch in einem Gas weiterhin Kräfte zwischen den Teilchen.
Im Gegensatz zu Festkörpern oder Flüssigkeiten dehnen sich Gase auf den gesamten zur Verfügung stehenden Raum aus. Sie haben also weder eine festgelegte Form noch ein bestimmtes Volumen. Dafür sind Gase kompressibel, da sich zwischen den einzelnen Teilchen große Abstände bilden. Du kannst Gase unter Krafteinwirkung (F) auf kleinerem Raum zusammenpressen(und damit die Abstände zwischen ihnen verringern. Diesen Vorgang veranschaulicht auch die folgende Abbildung.
Abb. 11 - Komprimiertes Gas
Alle Aggregatzustände lassen sich also mithilfe des Teilchenmodells erklären. Im folgenden Abschnitt bekommst du nochmal einen Überblick über die Eigenschaften der verschiedenen Stoffzustände.
Überblick über die Aggregatzustände
In der folgenden Tabelle findest du nochmal einen schnellen Überblick über die Eigenschaften von Stoffen in verschiedenen Aggregatzuständen.
| Fest | Flüssig | Gasförmig |
| Ort | fester Ort | die Teilchen können untereinander die Plätze tauschen | kein fester Ort, freie Teilchenbewegung |
| Abstand | geringe Abstände | etwas größere Abstände | großer Abstand |
| Kräfte | starke Kräfte | etwas schwächere Kräfte | schwache Kräfte |
| Bewegung | Schwingung um Ruhelage | leichte Teilchenbewegung | schnelle Teilchenbewegung |
| Form | stabile Form, die sich nicht dem Behälter anpasst | Form passt sich ihrem Behälter an | keine Form |
| Volumen | bestimmtes Volumen, welches sich nur durch Kraftaufwand verändern lässt | bestimmtes Volumen, sie lassen sich nicht zusammendrücken. (Inkompressibel) | Volumen nutzt den zur Verfügung stehenden Raum aus, durch Druck kompressibel |
Der Plasma-Zustand
In der Physik gibt es noch einen weiteren Aggregatzustand, der uns im Alltag jedoch nur sehr selten begegnet: das Plasma. Es entsteht nur unter extrem hohen Temperaturen, zum Beispiel im Inneren der Sonne.
Bei so hohen Temperaturen haben die Elektronen genug Energie, ihre Atome zu verlassen. Dadurch bildet sich ein Materiezustand, den du dir wie einen See aus positiv geladenen Atomkernen (Protonen und Neutronen) und freien Elektronen vorstellen kannst. Befinden sich alle Elektronen in diesem Zustand, handelt es sich um vollständig ionisiertem Plasma. Plasma ist elektrisch leitfähig.
Abb. 12 - Teilchendarstellung von Plasma
Die Effekte von Plasma aus der Sonne kannst du in einer klaren Nacht in Polarregionen beobachten. Wenn Plasmaströme (positiv und negativ geladene Teilchen) von der Sonne auf die Erde treffen, werden sie an dem Magnetfeld der Erde zu den Polen abgelenkt. Dort treffen die Teilchen auf Moleküle in der Atmosphäre und reagieren mit diesen. Dadurch senden die Moleküle Photonen bestimmter Wellenlänge aus, die wir als wunderschöne Farben am Nachthimmel beobachten können.
Abbildung 13: PolarlichterQuelle: zeit.de
Umwandlung in verschiedene Aggregatzustände
Die Teilchen im Modell bleiben also immer dieselben, nur ihr Verhältnis zueinander verändert sich und damit die Eigenschaften der Stoffe. Beim zuführen von Energie (Temperatur) gehen die Stoffe von fest zu flüssig zu gasförmig und schließlich in den Plasmazustand über.
Für den Übergang von einem Stoff in den anderen gibt es spezielle Begriffe. Einige kennst du sicherlich aus dem Alltag, zum Beispiel schmelzen für den Übergang von fest zu flüssig. Die nachfolgende Abbildung veranschaulicht die Übergänge und gibt dir die wichtigsten Begriffe an die Hand.
Abb. 14 - Umwandlung von Stoffen
Es ist auch möglich, einen Aggregatzustand zu "überspringen". Die aufsteigende Reihenfolge bei Energiezufuhr lautet: fest zu flüssig zu gasförmig zu Plasma. Allerdings kannst du Festkörper auch direkt in einen gasförmigen Zustand überführen, das nennt sich Sublimation.
Weitere Folgerungen aus dem Teilchenmodell
Aus dem Teilchenmodell lassen sich noch viele weitere Eigenschaften von Stoffen ableiten.Im Folgenden stellen wir dir die wichtigsten vor.
Stoffdichte
Mit Hilfe des Stoffteilchenmodells lässt sich die Dichte von Stoffen erklären. Dazu schauen wir uns erstmal an, wie wir Dichte in der Physik definieren.
Die Dichte eines Stoffes beschreibt den Zusammenhang zwischen seinem Volumen und seiner Masse. Konkret gibt sie an, wie viel Raum die Masse eines Stoffes einnimmt. Du berechnest die Dichte eines Stoffes aus dem Quotienten von Masse und Volumen:
Für uns ist das Konzept von Dichte eigentlich sehr intuitiv. Es begegnet uns fast überall im Alltag, wir merken es nur meistens nicht. Lass uns das an einem konkreten Beispiel anschauen.
Dazu nehmen wir zwei identische Behälter. Den ersten füllen wir mit einem Liter Wasser, den zweiten mit einem Liter Luft. Jetzt stellen wir beide auf die Waage, welcher wiegt wohl weniger? Müssten sie nicht beide gleich wiegen? Schließlich ist in beiden Behälter gleich viel drin.
Abb. 15 - Dichte verschiedener Stoffe
Wie du sicherlich richtig vermutet hast, wiegt der Behälter mit einem Liter Wasser mehr, als der Behälter mit Luft. Das liegt daran, dass Wasser eine viel höhere Dichte als Luft hat:
Ein Kubikmeter Wasser wiegt 997 kg, während ein Kubikmeter Luft nur 1,2 kg wiegt. Wasser wiegt also ca. 830 Mal mehr als Luft und hat damit eine viel größere Dichte als Luft.
Wie können wir nun Dichte mithilfe unsere Stoffteilchenmodells erklären?
In Stoffen mit hoher Dichte liegen die einzelnen Teilchen viel enger beieinander. Zwischen ihnen ist nur sehr weniger leerer Raum. Entsprechend passen mehr Teilchen auf einen kleineren Raum. Umgekehrt haben die Teilchen in Stoffen mit geringer Dichte größere Abstände. Das erklärt auch, warum ein Gas (wie zum Beispiel Luft) in den meisten Fällen eine geringere Dichte als Flüssigkeiten oder Festkörper haben.
Abb. 16 - hohe und niedrige Dichte
Wärmeleitung
Mit dem Teilchenmodell lässt sich auch das Phänomen der Wärmeleitung erklären. Also warum deine Tasse nach einiger Zeit warm wird, wenn du sie mit heißem Kaffee füllst.
Schauen wir uns die einzelnen Kaffeemoleküle in der Tasse an. Diese haben eine hohe Temperatur und bewegen sich deshalb sehr schnell. Dabei stoßen sie permanent an die Teilchen im Innenrand der Tasse und geben einen Teil ihrer Energie an diese ab. Dadurch fangen die Teilchen im Porzellan der Tasse an, schneller zu schwingen. Sie bewegen sich schneller und haben mehr Energie. Deshalb wird die Tasse warm.
Diffusion
Gibst du ein paar Tropfen Tinte in Wasser, bilden sich wunderschöne Muster. Allmählich verteilt sich die Tinte gleichmäßig im Wasser. Dieser Effekt kommt durch die Diffusion der Teilchen zustande und wir können ihn mit dem Stoffteilchenmodell erklären.
Abbildung 16: Diffusion von TinteQuelle: fotocommunity.com
Doch was genau ist Diffusion eigentlich? Bevor wir uns das Prinzip auf Stoffebene anschauen, betrachten wir erstmal die physikalische Definition von Diffusion.
Diffusion bezeichnet in den Naturwissenschaften die selbstständige Teilchenbewegung in Richtung des Konzentrationsgradienten.
Ein Konzentrationsgradient bedeutet, dass Teilchen ungleichmäßig verteilt sind. An einem Ort befinden sich sehr viele Teilchen auf engem Raum, hier herrscht eine hohe Teilchenkonzentration. Dort, wo sich wenige Teilchen befinden, herrscht dagegen eine niedrige Teilchenkonzentration. Teilchen wandern durch Diffusion immer vom Ort hoher zu einem Ort mit niedriger Teilchenkonzentration. Sie sind quasi um Ausgleich bemüht. Diesen Prozess bezeichnest du als Brownsche Molekularbewegung.
Abb. 18 - Diffusion
Der Prozess der Diffusion spielt in vielen Bereichen eine Rolle, hier sind einige Bespiele:
- In der Biologie gelangen durch Diffusion den Transport von wichtigen Stoffen in die Zelle
- Milch und Zucker verteilen sich gleichmäßig im Kaffee
- Duftstoffe breiten sich über Diffusion in der Luft aus
Stoffsynthese
Mit dem Stoffteilchenmodell lässt sich auch die Synthese neuer Stoffe erklären. Als Synthese bezeichnest du die Verbindung von zwei oder mehr Elementen zu einem neuen Stoff. Dies geschieht durch die Zufuhr von Energie in einer chemisch-physikalischen Reaktion.
Wir wollen uns dies am Beispiel der Synthese von Silbersulfid ansehen.
Das Prinzip ist relativ einfach: Zwei Stoffe verbinden sich zu einem neuen Stoff, indem sich die Teilchen der einzelnen Stoffe neu anordnen. So wird aus Silber und Schwefel Silbersulfid, indem sich die Teilchen zu einem regelmäßigen Gitter aus Schwefel- und Silberteilchen anordnen. In diesem Zustand herrschen große Anziehungskräfte zwischen den Sulfid- und Silberteilchen. das Gitter ist also sehr stabil. Den Prozess siehst du auf folgender Abbildung:
Abb. 19 - Synthese von Silbersulfid
Der umgekehrte Prozess heißt übrigens Analyse. Dabei wird ein Stoffgemisch aufgespalten, sodass zwei homogene Stoffe entstehen. Dies gelingt zum Beispiel durch die Zufuhr von großen Mengen an Hitze (bei Silbersulfid mindestens 1000°C). Die Teilchen bewegen sich schneller und die Anziehungskräfte zwischen ihnen werden schwächer, sodass sich das Gitter auflöst.
Abb. 20 - Analyse von Silbersulfid
Das Stoffteilchenmodell ist also enorm praktisch viele Prozesse auf Teilchenebene zu erklären und kann sehr viele verschiedene Prozesse erklären.
Limitationen des Teilchenmodells
Mit dem Teilchenmodell können wir viele alltägliche Phänomene erklären, aber es handelt sich immer noch nur um ein Modell. Es ist also nur eine Annäherung an die Realität. Wo liegen also die Grenzen des Teilchenmodells?
Das Teilchenmodell kann nicht erklären,
- was bei chemischen Reaktionen passiert und wie sich neue Stoffe bilden.
- warum einige Stoffe nicht jeden Aggregatzustand einnehmen können.
- warum verschiedene Stoffe unterschiedliche Eigenschaften besitzen, zum Beispiel ihre Leitfähigkeit.
Aufgaben zum Teilchenmodell
Zum Abschluss wollen wir uns noch ein paar Aufgaben zum Teilchenmodell anschauen, damit du auch bestens auf die Klausur vorbereitet bist.
Versuch erstmal selbst, die Aufgaben zu lösen und vergleiche deine Antworten dann mit der Lösung.
Aufgabe 1
Du machst dir abends eine große Tasse heißen Tee. Bevor du ihn allerdings trinken kannst, ruft deine beste Freundin bzw. dein bester Freund an. Ihr habt euch lange nicht mehr gesehen und gibt es viel zu besprechen. Als du nach einer Stunde intensiven Austauschs endlich deinen Tee trinken willst, stellst du fest, dass dieser inzwischen kalt geworden ist.
Erkläre diese Beobachtung mithilfe des Stoffteilchenmodells.
Lösung
Im heißen Tee bewegen sich die Teilchen mit hoher Geschwindigkeit. Dabei stoßen sie ständig mit anderen Teilchen in ihrer Umgebung zusammen und übertragen diesen einen Teil ihrer Energie. Irgendwann haben die Teeteilchen das meiste ihrer Energie abgegeben. Die Wärme hat sich auf die Teilchen in ihrer Umgebung verteilt, die Umgebung ist also wärmer geworden. Diesen Effekt nehmen wir jedoch nicht wahr, da sich sehr wenig Wärme auf einen sehr großen Raum verteilt hat.
Und noch eine zweite (und letzte) Aufgabe. Hast du dich schon mal gefragt, wie groß diese Teilchen eigentlich sind und wie kann man das herausfinden kann?
Aufgabe 2
Wir nehmen eine Schale mit Wasser, messen eine geringe Menge Öl ab und tropfen sie darauf. Es bildet sich ein hauchdünner Ölfilm. Stelle mithilfe des Teilchenmodells Überlegungen an, wie sich so theoretisch der Durchmesser eines Ölteilchens bestimmen lässt.
Abb. 21 - dünner Ölfileck auf Wasser
Lösung
Im Modell nehmen wir an, dass der Ölfilm aus einer Schicht einzelner Teilchen besteht. Wie flacher Teller mit ganz vielen Murmeln, die eng nebeneinander liegen.
Jetzt messen wir die Oberfläche des Ölfilms. Wir nehmen an, dass der Ölfilm kreisrund ist und eine Höhe h hat. Es handelt sich also um einen Zylinder. Somit können wir aus dem Volumen des Öltropfens um den Radius des Flecks seine Höhe bestimmen.
Da der Ölfilm nur aus einzelnen Molekülen besteht, entspricht die Dicke des Films genau dem Durchmesser eines Moleküls. Ein Molekül selbst besteht aus Atomen, im Fall des Ölmoleküls besteht dieses aus genau 54 Atomen.
Vereinfacht nehmen wir jetzt an, es handelt sich bei den Atomen um kleine Würfel (das erleichtert das Rechnen erheblich und führt zum selben Ergebnis.
Abb. 22 - Teilchenmodell zum Ölfleck-Versuch
Das Molekülvolumen entspricht also 54 Mal dem Atomvolumen:
Nun setzten wir die Formel für das Volumen ein. Da wir ein würfelförmiges Aussehen für Atom und Molekül annehmen ist es einfach der Durchmesser d hoch 3.
Anschließend stellen wir die Formel nach dem Atomdurchmesser um und ziehen die dritte Wurzel.
Erweiterte Lösung
Obwohl die Aufgabenstellung nur einen theoretischen Ansatz von dir verlangt hat, wollen wir die Rechnung einmal an einem Beispiel durchführen. (Du darfst es natürlich auch selbst gerne vorher probieren.)
Bei dem Versuch wird meistens nicht reines Öl verwendet, sondern eine Mischung aus Ölsäure und Leichtbenzin im Mischverhältnis 1 : 2000 (Ölsäure : Leichtbenzin). Nun gibt man einen Tropfen dieser Mischung auf die Wasseroberfläche mit Bärlappsporen. Die Bärlappsporen dienen dazu, die Oberfläche besser sichtbar zu machen. Das Leichtbenzin verdampft nach kurzer Zeit, zurück bleibt ein runder Film.
Folgende Größen sind gegeben:
role="math" style="max-width: none;">
Vereinfacht nehmen wir an, dass der Ölflecks aus einer Schicht einzelner Teilchen besteht, wenn wir nun also die Dicke des Ölflecks berechnen, ergibt sich daraus automatisch auch der Durchmesser eines Atoms.
Zuerst müssen wir allerdings das Volumen des Öltropfens berechnen.(Angegeben ist nämlich das Volumen des Gemischs aus Ölsäure und Leichtbenzin).
Aus der oberen Formel lässt sich daraus nun der Durchmesser d des Ölflecks berechnen:
Jetzt kennen wir den Durchmesser des Ölmoleküls und können daraus einfach den Durchmesser eines Atoms berechnen.
In Experimenten haben Physiker*innen herausgefunden, dass der tatsächliche Atomdurchmesser in der Größenordnung von ungefähr liegt (unterschiedliche Atome haben unterschiedliche Atomdurchmesser je nach ihrer Größe). Unser einfaches Modell bestimmt den Atomdurchmesser also erstaunlich gut!
Teilchenmodell - Das Wichtigste
- Materie besteht aus kleinsten Teilchen mit bestimmten Eigenschaften wie Größe, Masse und Form. In reinen Stoffen sind diese zueinander identisch (homogen).
- Die Teilchen in einem Stoff üben Kräfte aufeinander aus, sie ziehen sich an oder sie stoßen sich ab.
- Die Teilchen befinden sich in ständiger Bewegung.
- Temperatur ist ein Maß für die Bewegung der Teilchen. In heißen Stoffen bewegen sich die Teilchen sehr schnell.
- Die Dichte eines Stoffes hängt von dem Abstand der Teilchen zueinander ab. Je größer der Abstand, desto geringer die Dichte. Die Formel für die Dichte lautet:
- Es gibt vier Aggregatzustände: fest, flüssig, gasförmig und Plasma
- Durch Synthese kannst du zwei Stoffe zu einem Stoffgemisch verbinden und durch Analyse wieder trennen.
- Die verschiedenen Stoffzustände fest, flüssig und gasförmig unterscheiden sich durch folgende Eigenschaften:
| Fest | Flüssig | Gasförmig |
| Ort | fester Ort | die Teilchen können untereinander die Plätze tauschen | kein fester Ort, freie Teilchenbewegung |
| Abstand | geringe Abstände | etwas größere Abstände | großer Abstand |
| Kräfte | starke Kräfte | etwas schwächere Kräfte | schwache Kräfte |
| Bewegung | Schwingung um Ruhelage | leichte Teilchenbewegung | schnelle Teilchenbewegung |
| Form | stabile Form, die sich nicht dem Behälter anpasst | Form passt sich ihrem Behälter an | keine Form |
| Volumen | bestimmtes Volumen, welches sich nur durch Kraftaufwand verändern lässt | bestimmtes Volumen, sie lassen sich nicht zusammendrücken. (Inkompressibel) | Volumen nutzt den zur Verfügung stehenden Raum aus, durch Druck kompressibel |
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