1. Das Teilchenmodell

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Nahaufnahme von Teebeuteln, die in der Luft hängen.
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Urheber: Gareth Hubbard

Unsplash

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Stell dir vor, du befindest dich am Strand. Auf dem Weg ins Wasser kannst du dich problemlos durch die Luft um dich herum bewegen. Im Wasser wird es jedoch deutlich schwerer voranzukommen. In den Sand kannst du dich wiederum höchstens mit viel Mühe eingraben. Ein Hindurchtauchen wie im Wasser ist nicht möglich. Warum ist das so?
Um diese Frage zu beantworten, schauen wir uns in diesem Kapitel genauer an, wie Körper aufgebaut sind und wie dieser Aufbau die Eigenschaften des Körpers beeinflusst.

1.1 Der Aggregatzustand

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Das Bild ist in drei gleichgroĂźe Drittel unterteilt: Linkes Drittel: Foto von Sand mit der Aufschrift
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Urheber: Foto Sand: Daniel Straub (https://unsplash.com/photos/n5HOJGtYt4Q), Foto Wasser: Marissa Rodriguez (https://unsplash.com/photos/2mKYEVGA4jE), Foto Wolken: Matt Palmer (https://unsplash.com/photos/WHJ1VaQpPsg), Komposition: Digitale Lernwelten

Unsplash

PD

Der Aggregatzustand eines Körpers kann fest, flüssig oder gasförmig sein.

Ob ein Stoff fest (Sand), flüssig (Wasser) oder gasförmig (Luft) ist, wird auch als sein Aggregatzustand bezeichnet. Um zu erklären, warum wir uns durch gasförmige Stoffe leichter bewegen können als durch flüssige Stoffe und durch flüssige Stoffe leichter als durch feste Stoffe, müssen wir uns das Teilchenmodell anschauen.

Stell dir ein einzelnes Sandkorn am Strand vor, das du in immer kleiner werdende Stücke zerteilst. Diesen Vorgang führst du immer weiter fort, bis du kleinstmögliche Teilchen erhältst. Diese Teilchen werden je nach Stoff auch Atome oder Moleküle genannt. Aus diesen Teilchen bestehen wir selbst und alles um uns herum: Festkörper, Flüssigkeiten und Gase. Dies bildet die erste Aussage des Teilchenmodells:

1. Alle Stoffe bestehen aus Teilchen.
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Nebeneinander angeordnet sind: 1. Ein EiswĂĽrfel mit der Unterschrift:
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

Cc4BYNCSA

Es gibt drei verschiedene Aggregatzustände: fest, flüssig und gasförmig. Der Aggregatzustand bestimmt die Anordnung und das Verhalten der Teilchen.

Eine Animation: Im EiswĂĽrfel befindet sich eine Vielzahl an Teilchen (dargestellt in Form roter Punkte), die sich langsam hin- und herbwegen. Sie bewegen sich nur langsam, sind nah beieinander und behalten ihre Position innerhalb der Teilchenanordnung.
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

Cc4BYNCSA

Festkörper: Der Abstand zwischen den Teilchen ist gering. Jedes Teilchen hat einen festen Bezugspunkt in der Teilchenanordnung. Die Teilchen schwingen langsam um ihren Bezugspunkt.

Eine Animation: In einem Glas Wasser befindet sich eine Vielzahl an Teilchen (dargestellt in Form roter Punkte), die sich mit mittlerer Geschwindigkeit hin- und herbewegen. Sie bewegen sich frei durch das Glas, stoĂźen hin und wieder aneinander und tauschen ihre Positionen.
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

Cc4BYNCSA

Flüssigkeiten: Der Abstand zwischen den Teilchen ist etwas größer und sie bewegen sich schneller. Sie haben keine feste Anordnung und können ihre Positionen tauschen.

Eine Animation: In einer Dampfwolke befindet sich eine Vielzahl an Teilchen (dargestellt in Form roter Punkte), die mit hoher Geschwindigkeit durchs Bild fliegen. Die Teilchen sind weit voneinander entfernt und beeinflussen sich gegenseitig kaum.
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

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Gase: Der Abstand zwischen den Teilchen ist sehr groĂź. Die Teilchen bewegen sich frei im Raum und beeinflussen sich gegenseitig kaum.

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Erweiterung: Modell und Wirklichkeit

1. Modell und Wirklichkeit

Das Teilchenmodell zeigt uns, wie sich die Teilchen verhalten, aus denen ein Körper besteht. Doch was ist eigentlich ein Modell und warum werden Modelle verwendet?

Ein Modell ist eine vereinfachte Darstellung der Wirklichkeit. Das heiĂźt, dass unwichtige Teile der Wirklichkeit weggelassen werden. Denn die Wirklichkeit ist oft sehr komplex.

Um zu verstehen, wie sich Teilchen in einem Festkörper verhalten, ist es nicht wichtig zu wissen, welche Form, Farbe und Größe der Körper hat, wo er sich befindet und ob er gerade in Bewegung ist. Deshalb sind diese Informationen im Modell nicht enthalten. Dieser Prozess wird auch Abstraktion genannt.

2. Vorteile von Modellen

In den Naturwissenschaften wird häufig mit Modellen gearbeitet, da sie viele Vorteile bieten:

  • Je nach Zweck ist es häufig nicht notwendig, alle Aspekte der Wirklichkeit zu betrachten. Ein Modell ist dagegen ĂĽbersichtlich und verdeutlicht die wesentlichen Punkte.
  • Manchmal ist die Wirklichkeit so komplex, dass sie nur schwer zu verstehen ist. Ein Modell ist dagegen leichter zu verstehen.
  • Manche Vorgänge, wie z. B. die Teilchenbewegung, sind nur sehr schwer oder sogar ĂĽberhaupt nicht zu sehen. Mithilfe von Modellen können diese sichtbar gemacht oder Vorgänge erklärt werden, die sich nicht direkt beobachten lassen.

3. Grenzen von Modellen

Bei allen Vorteilen, die Modelle bieten, hat jedoch auch jedes Modell seine Grenzen. Wenn du ein Modell erstellst, überlegst du dir ganz genau, welchen Zweck es erfüllen soll, um anschließend bestimmte Aspekte hervorzuheben und andere wegzulassen. Sei dir also stets bewusst, dass ein Modell immer nur einen Teil der Wirklichkeit beleuchtet.

Das Teilchenmodell zeigt die Bewegung von Teilchen in einem Festkörper (z. B. einem Eiswürfel) – es sagt jedoch nur sehr wenig über den Eiswürfel selbst.

Auf der linken Seite befindet sich ein Satellitenbild von Dresden und der näheren Umgebung, auf dem Ortsnamen und Hauptstraßen eingezeichnet sind. Auf der rechten Seite befindet sich ein Liniennetzplan für die S-Bahn Dresden.
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© Links: Screenshot von Google Maps (https://www.google.de/maps/place/Dresden/); Rechts: Maximilian Dörrbecker (Wikimedia Commons)

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dresden_-_S-Bahn_-_Liniennetz.png

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Links: Satellitenbild von Dresden und Umgebung. Rechts: Liniennetzplan der S-Bahn Dresden

Modelle findest du nicht nur in den Naturwissenschaften, sondern überall – betrachte z. B. einen Liniennetzplan. Ziel des Modells ist es zu zeigen, welche Linien an einer Haltestelle halten und wohin diese fahren. Um diesen Zweck hervorzuheben, findet folgende Abstraktion statt:

  • Die genaue geografische Position, das StraĂźennetz und das sonstige Stadtbild werden weggelassen.
  • Haltestellen und Linien werden farbig hervorgehoben.

Das Modell macht es deutlich einfacher herauszufinden, wie du mithilfe von Bus und Bahn am schnellsten von einem Ort zum anderen kommst. Du siehst auf dem Plan aber nicht, wo du wohnst oder wo sich der nächste Einkaufsladen befindet. Denn das ist gar nicht der Zweck des Modells und würde die Übersichtlichkeit beeinträchtigen.

1.2 Eigenschaften

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Die Anordnung und Bewegungen der Teilchen bestimmen die Eigenschaften eines Stoffes.

Form

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Rechts: Festkörper (ein Würfel liegt in einem Gefäß und behält seine Form bei); Mitte: Flüssigkeit (die Flüssigkeit füllt den unteren Teil des Gefäßes aus); Rechts: Gas (auf dem Gefäß befindet sich ein Deckel, das Gas nimmt den gesamten Raum innerhalb des Gefäßes ein)
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

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Form: Der Aggregatzustand bestimmt die Form und Verformbarkeit eines Stoffes

  • Festkörper behalten ihre Form unabhängig von ihrem Gefäß bei. Sie sind nur mit groĂźem Kraftaufwand verformbar.
  • FlĂĽssigkeiten passen ihre Form dem Gefäß an, in dem sie sich befinden. Sie lassen sich somit viel leichter verformen.
  • Gase nehmen den kompletten Raum ein, in dem sie sich befinden. Sie lassen sich somit sehr leicht verformen.

Volumen

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Rechts (Festkörper): Der Deckel des Gefäßes wird heruntergedrückt, bis er den Würfel berührt; Mitte (Flüssigkeit): Der Deckel des Gefäßes wird heruntergedrückt, bis er die Oberfläche der Flüssigkeit berührt - da die Flüssigkeit nicht entweichen kann, lässt sich der Deckel nicht weiter herunterdrücken; Rechts (Gas): Der Deckel des Gefäßes wird heruntergedrückt, das Gas nimmt nun einen kleineren Raum im Gefäß ein - es hat somit sein Volumen verringert.
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

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Volumen: Der Aggregatzustand bestimmt, ob ein Körper sein Volumen verändern kann

  • Festkörper behalten (bei nicht allzu groĂźer Kraft) ihr Volumen bei.
  • FlĂĽssigkeiten behalten ihr Volumen bei.
  • Gase können „zusammengedrĂĽckt“ werden: Ihr Volumen ändert sich.

1.3 Das Teilchenmodell und die Dichte

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Die Dichte gibt an, welche Masse ein Stoff in einem Kubikzentimeter Volumen besitzt. Jedes Teilchen besitzt eine bestimmte Masse. Diese ist abhängig von dem Stoff, aus dem der Körper besteht.

Bei Festkörpern ist der Abstand zwischen den Teilchen nur sehr gering. Deshalb besitzen sie mehr Masse in einem Kubikzentimeter Volumen als flüssige oder gasförmige Körper desselben Stoffes.

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Bei Festkörpern sind die Teilchen dichter aneinander. Die Dichte ist somit höher als bei Gasen desselben Stoffes.
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Oder um es anhand des Teilchenmodells zu verdeutlichen: Je dichter die Teilchen eines Körpers beieinander sind, desto höher ist die Dichte des Körpers. Die Dichte eines Körpers ist somit abhängig vom Stoff und von der Temperatur.

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Aufgabe – Erneut am Strand

Lies dir noch einmal den Einleitungstext dieses Kapitels durch und beantworte folgende Fragen anhand des Teilchenmodells:

  1. Warum fällt es dir leichter, dich durch Luft zu bewegen als durch Wasser?
  2. Warum fällt es dir leichter, dich durch Wasser zu bewegen als durch Sand?
  3. Warum kannst du dich dennoch mit etwas MĂĽhe durch den Sand bewegen, aber nicht durch einen massiven Felsen?

1.4 Brownsche Bewegung

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Beobachtung der Brownschen Bewegung anhand von fluoreszierenden Latex-Kügelchen in einer Flüssigkeit unter einem Mikroskop. Di Kügelchen sind als helle Punkte erkennbar, die sich ständig in unregelmäßiger Bewegung befinden.
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Urheber: Jkrieger am Deutschen Krebsforschungszentrum in der Arbeitsgruppe B040 Biophysik der MakromolekĂĽle

https://de.wikipedia.org/wiki/Brownsche_Bewegung#/media/Datei:Brownianmotion_beads_in_water_spim_video.gif

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Brownsche Bewegung von Latex-KĂĽgelchen (Durchmesser: ca. 20 nm) unter einem Mikroskop.

Im Jahr 1827 beobachtete der schottische Botaniker Robert Brown unter einem Mikroskop Pollenkörner, die sich in einer Flüssigkeit befanden. Dabei entdeckte er, dass sich die Pollenkörner auch nach langer Zeit ununterbrochen und scheinbar zufällig bewegen.

Brown vermutete, dass diese permanente und unregelmäßige Bewegung durch noch kleinere und nicht sichtbare Teilchen verursacht wird. Heute wissen wir, dass es sich bei diesen kleinsten Teilchen um Atome und Moleküle handelt.

Die Entdeckung von Robert Brown fĂĽhrt uns zur zweiten Aussage des Teilchenmodells:

2. Alle Teilchen sind ständig in Bewegung.
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Experiment

Teebeutel im Wasser

Materialien:

  • 2 durchsichtige, hitzebeständige Gefäße
  • 2 Teebeutel (am besten funktioniert FrĂĽchtetee)
  • Wasser mit niedriger Temperatur (aus dem Wasserhahn)
  • Wasser mit hoher Temperatur (ca. 50-70° C)

Achtung: Führe dieses Experiment zu Hause bitte nur mit einem Elternteil oder einem Erziehungsberechtigten durch. Stelle sicher, dass die Gefäße hitzebeständig sind. Um Wasser mit hoher Temperatur zu bekommen, kannst du dieses auch im Wasserkocher erhitzen und anschließend ca. 10 Minuten warten, damit es die gewünschte Temperatur erreicht.

DurchfĂĽhrung:

Linke Seite: Ein Gefäß mit Wasser mit niedriger Temperatur; Rechte Seite: Ein Gefäß mit Wasser mit hoher Temperatur; In beiden Gefäßen befindet sich ein Teebeutel.
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

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Versuchsaufbau

  • FĂĽlle in ein Gefäß das Wasser mit niedriger Temperatur und in das andere Gefäß das Wasser mit hoher Temperatur.
  • Gebe nun gleichzeitig in beide Gefäße jeweils einen Teebeutel hinein.
  • Beobachte die Ausbreitung des Tees in beiden Gefäßen.
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A B C

Aufgabe A: Hypothese aufstellen

Stelle eine Hypothese auf: Wie wird sich die Ausbreitung des Tees in den beiden Gefäßen unterscheiden? Begründe deine Hypothese.

Aufgabe B: Beobachtungen dokumentieren

Beobachte die Ausbreitung des Tees in beiden Gefäßen und beschreibe deine Beobachtungen.

Aufgabe C: Beobachtungen erklären

Erkläre deine Beobachtungen. Gehe dabei auf deine anfangs formulierte Hypothese ein.

Bedenke bei der Erklärung, was du bereits über das Teilchenmodell und die Brownsche Bewegung gelernt hast.

A B C
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Bei dem Experiment konntest du nicht nur die Brownsche Bewegung beobachten (Bewegung der „Teeteilchen“ im Wasser), sondern auch eine weitere wichtige Beobachtung machen: Bei einer höheren Temperatur haben die Teilchen eine höhere durchschnittliche Bewegungsgeschwindigkeit.

Wie du bereits weißt, bewegen sich die Teilchen eines Gases schneller als die Teilchen einer Flüssigkeit und die Teilchen einer Flüssigkeit schneller als die Teilchen eines Festkörpers. Doch die Teilchenbewegung ändert sich bereits, wenn die Temperatur zu- oder abnimmt – nicht erst dann, wenn der Körper seinen Aggregatzustand ändert.

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Hierfür lässt sich folgende Erklärung finden: Durch das Erhitzen eines Stoffes wird diesem Energie hinzugefügt. Dies äußert sich in einer höheren Energie der Teilchen – das heißt, sie sind mehr in Bewegung. Die Temperatur hat also einen direkten Einfluss auf die Teilchenbewegung.

Durch die stärkere Bewegung der Teilchen sind diese weiter voneinander entfernt. Somit erhöht sich das Volumen des Körpers und die Dichte sinkt.

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A B

Aufgabe A – Temperatur und Dichte

In der folgenden Tabelle siehst du die Dichte von Wasser bei unterschiedlichen Temperaturen.

  1. Beschreibe den Unterschied der Werte.
  2. Erkläre die verschiedenen Dichtewerte von Wasser bei unterschiedlichen Temperaturen.
Temperatur (° C)Dichte (kg/m³)
10999,70
30995,64
50988,03
70977,76
90965,30

Aufgabe B – Temperatur und Volumen

Ein Gefäß ist bis zum Rand mit Wasser gefüllt. In dem Gefäß befindet sich ein Thermometer, das 10° C anzeigt. Unter dem Gefäß ist eine Flamme, um zu zeigen, dass das Wasser erhitzt wird.
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

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Versuchsaufbau

Du siehst ein Gefäß, das randvoll mit Wasser gefüllt ist. Das Wasser hat eine Temperatur von 10° C.

Was würde passieren, wenn das Wasser in dem Gefäß auf 70° C erhitzt wird? Begründe deine Vermutung.

Hinweis: Sofern die notwendigen Materialien vorhanden sind, kann diese Aufgabe auch als Experiment durchgefĂĽhrt werden.

A B

1.5 Kräfte zwischen den Teilchen

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Die Eigenschaften eines Stoffes werden nicht nur durch die Bewegung und die Anordnung der Teilchen bestimmt, sondern auch durch die Wechselwirkungen der Teilchen untereinander. Dies formuliert die dritte Aussage des Teilchenmodells:

3. Zwischen den Teilchen in Stoffen wirken Kräfte.

Kohäsionskräfte

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Kohäsionskräfte zwischen den Teilchen visualisiert am Teilchenmodell. Zwischen den Teilchen befinden sich Pfeile, die auf benachbarte Teilchen zeigen, um die Anziehungskraft zwischen den Teilchen zu veranschaulichen.
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

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Kohäsionskräfte wirken zwischen den Teilchen eines Stoffes.

Die Teilchen eines Stoffes ziehen sich gegenseitig an. Diese Anziehungskräfte zwischen den Teilchen eines Stoffes werden Kohäsionskräfte genannt. Kohäsionskräfte verleihen einem Stoff seine Festigkeit. Sie sind stärker bei Festkörpern und geringer bei Gasen.

Deshalb kannst du z. B. einen Stein nicht einfach so zerbrechen, aber uns ohne spürbaren Widerstand durch die Luft um uns herum bewegen.

Adhäsionskräfte

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Adhäsionskräfte zwischen den Teilchen verschiedener Stoffe visualisiert am Teilchenmodell. Die roten Teilchen links und rechts gehören zu einem Stoff, die gelben Teilchen in der Mitte zu einem anderen Stoff. Zwischen den roten und den gelben Teilchen sind Pfeile, die auf die angrenzenden Teilchen des anderen Stoffes zeigen, um die Anziehungskräfte zu veranschaulichen.
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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

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Adhäsionskräfte wirken zwischen den Teilchen zwei verschiedener Stoffe.

Neben den anziehenden Kräften zwischen Teilchen eines Stoffes gibt es auch Anziehungskräfte zwischen zwei verschiedenen Stoffen. Adhäsionskräfte bewirken, dass zwei Körper aneinander haften bleiben.

Dank der Adhäsionskräfte bleibt die Kreide an der Tafel und die Farbe an der Wand. Auch die Wirkung von Klebstoffen geht auf die Adhäsionskräfte zurück.

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Aufgabe – Im Sand

Stell dir erneut vor, du befindest dich am Strand und versuchst dich in den Sand einzugraben. Warum ist es deutlich leichter, sich in trockenen Sand einzugraben als in nassen Sand?


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Zusammenfassung

Das Teilchenmodell

1. Das Teilchenmodell

Stoffe können drei unterschiedliche Aggregatzustände annehmen:

  • fest
  • flĂĽssig
  • gasförmig
1. Alle Stoffe bestehen aus Teilchen.
AnordnungBewegung
Festkörpergeringer Abstand, fester Bezugspunktlangsam
Flüssigkeitgrößerer Abstand, können Positionen tauschenetwas schneller
Gassehr großer Abstand, können Positionen tauschensehr schnell

Beim Teilchenmodell handelt es sich um ein Modell. Modelle sind vereinfachte Darstellungen der Wirklichkeit.

2. Eigenschaften

Die Anordnung und Bewegungen der Teilchen bestimmen die Eigenschaften eines Stoffes:

FormVolumen
Festkörperbehält Form unabhängig vom Gefäß beibehält Volumen bei (Stabilität)
Flüssigkeitpasst Form dem Gefäß anbehält Volumen bei (Inkompressibilität)
Gasnimmt den kompletten Raum einVolumen ändert sich (Kompressibilität)

3. Dichte

Die Dichte eines Körpers ist abhängig vom Stoff und der Temperatur. Die Dichte ist bei Festkörpern höher und bei Gasen niedriger.

4. Brownsche Bewegung

2. Alle Teilchen sind ständig in Bewegung.

Diese Bewegung wird Brownsche Bewegung genannt. Die Brownsche Bewegung nimmt mit steigender Temperatur zu. Die Teilchenbewegung ist bei Festkörpern geringer und bei Gasen höher.

Eine höhere Temperatur bedeutet mehr Energie. Durch die stärkere Bewegung der Teilchen sind diese weiter voneinander entfernt. Das Volumen des Körpers steigt und die Dichte sinkt.

5. Kräfte zwischen den Teilchen

3. Zwischen den Teilchen wirken Kräfte.
  • Kohäsionskräfte wirken zwischen den Teilchen eines Stoffes und verleihen ihm seine Festigkeit. Sie sind stärker bei Festkörpern und schwächer bei Gasen.
  • Adhäsionskräfte wirken zwischen den Teilchen zwei verschiedener Stoffe und bewirken, dass diese aneinander haften bleiben.