3. Kugelteilchenmodell

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1 3. Kugelteilchenmodell 3.1 Das Idee-Modell der Teilchen 50 ml Wasser und 50 ml Alkohol ergeben zusammengegossen nicht erwartungsgemäss 100 ml, sondern nur etwa 96 ml. Zur Klärung dieses überraschenden Ergebnisses hilft uns ein Modellversuch. Stellt man sich nun Wasser und Alkohol aus kleinsten kugelförmigen Teilchen vor (Kugelteilchen), mit unterschiedlichen Grössen, so können sich beim Zusammenmischen zum Teil die kleineren Wasser-Kügelchen in die Hohlräume der grösseren Alkohol-Kügelchen zwängen. Dadurch wird insgesamt weniger Platz beansprucht. Das Volumen hat sich vermindert. Merke: Diese Modellvorstellung von winzigen, kugelförmigen Stoffteilchen ist oft nützlich, um Versuchsvorgänge zu deuten. Man soll aber stets bedenken, dass dieses Idee-Modell der Teilchen nicht exakt der Wirklichkeit entspricht.

2 3.2 Die Molekularbewegung Betrachtet man unter dem Mikroskop bei einer Vergrösserung von 400 einen stark verdünnten Milchtropfen, so erkennt man Fetttröpfchen. Sie erscheinen unter dem Mikroskop als dunkle Punkte, die sich ruckartig nach allen Seiten bewegen. Das Wasser zwischen den Fetttröpfchen sehen wir nicht, da die Wasserteilchen zu klein sind. Aus der Bewegung der Fetttröpfchen schliessen wir aber, dass auch die Wasserteilchen sich bewegen müssen. Die Bewegung der Fetttröpfchen können wir als äusseres, sichtbares Anzeichen für die Bewegung der viel kleineren Wasserteilchen deuten. Diese ständige Bewegung der kleinsten Teilchen eines Stoffes wird auch Molekularbewegung genannt. Da die Bewegungsstärke mit der Zufuhr von Wärme korreliert, wird sie auch mit dem Begriff Wärmebewegung bezeichnet. Die Molekularbewegung (Wärmebewegung) ist die Bewegung der kleinsten Teilchen eines Stoffes. Sie ist ruhelos, ungerichtet, ruckartig und nimmt mit der Erwärmung zu. Da diese Entdeckung im Jahr 1827 dem schottischen Botaniker Robert Brown zuzuschreiben ist, wird die Molekularbewegung (Wärmebewegung) auch als Brownsche Bewegung bezeichnet.

3 3.3 Diffusion Alle Teilchen (ausser beim absoluten Nullpunkt von -273 C oder 0K) sind in ständiger Bewegung (=Molekularbewegung). Obwohl die Geschwindigkeit der Teilchen sehr gross ist (in der Luft, bei 0 C ca. 424 m/s), kommen sie nur langsam voran. Sie stossen nämlich ständig auf andere Teilchen und behindern sich so gegenseitig. So wird zum Beispiel der Duft von starkem Parfum bald im Ganzen Raum wahrgenommen. Aufgrund der Wärmebewegung der Luftteilchen werden die Parfumteilchen solange herumgestossen, bis sie sich im ganzen Raum verteilt haben. Diesen Ausbreitungsvorgang nennt man Diffusion. Diffusion kann überall stattfinden, so auch im Wasser. Gibt man einen Zuckerkristall in Wasser, so löst er sich nach kurzer Zeit auf. Die Lösung schmeckt süss. Das Auflösen des Zuckerkristalls lässt sich mit dem Teilchenmodell erklären. Die kleinsten Teilchen des Wassers können sich zwischen die kleinsten Teilchen des Zuckerkristalls schieben (A) und deren Ablösen von der Kristalloberfläche erleichtern (B). Die abgelösten Zuckerteilchen verteilen sich diffus (Diffusion) in der Flüssigkeit (C).

4 Die Diffusion verläuft stets in die gleiche Richtung: Hohe Konzentration Diffusion tiefe Konzentration Diffusionsvorgänge spielen auch in der Biologie eine wichtige Rolle (Stofftransport in Zellen und Geweben, Gasaustausch in der Lunge). Als Diffusion bezeichnet man die Ausbreitung oder die Durchmischung von Stoffen aufgrund der Molekularbewegung (Wärmebewegung, Brownsche Bewegung) ihrer kleinsten Teilchen. 3.4 Osmose Verläuft eine Diffusion einseitig durch eine Membran hindurch (semipermeabel), so spricht man von einer Osmose. Dabei diffundiert das Lösungsmittel (meist Wasser oder Gase) durch die kleinen Poren einer Membran. Die restlichen Bestandteile (gelöste Eiweisse, Zucker, Salze) passen nicht durch die Poren und bleiben an der Membran haften. Eine solche Membran, die nur bestimmte Stoffe durchlässt, nennt man semipermeabel (=halbdurchlässig). Beispiel: Wir geben Zuckerwasser in die linke Gefässhälfte von einem Gefäss, welches in der Mitte mit einer porösen Trennwand versehen ist. Diese poröse Trennwand simuliert eine semipermeable Membran, d.h. sie lässt die Wasserteilchen hindurch, wobei sie die Zuckerteilchen nicht hindurchdiffundieren lässt.

5 Semipermeable Membran Zucker H 2 O Da die Poren für die Zuckerteilchen zu klein sind, findet nur noch eine Diffusion der Wasserteilchen statt. Durch den unterschiedlichen "Zuckergehalt" in der linke und der rechten Kammer entsteht ein sogenannter Osmotischer Druck, der bewirkt, dass das Wasser in die linke Kammer strömt und so das höher "konzentrierte" Zuckerwasser verdünnt. Der auf der linken Seite entstehende grössere (Flüssigkeits)-Druck entspricht dem osmotischen Druck. Ist die Osmose zum Stillstand gekommen, so geht sie in eine beidseitig verlaufende Diffusion der Wasserteilchen über. Würde man Süss- und Meerwasser so trennen. könnte sich auf der Meerwasserseite eine Wassersäule von bis zu 250 m Höhe (!) ausbilden. Dies entspricht einem enormen Druck, der über eine Turbine zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Das ist das Prinzip eines Osmosekraftwerkes. Osmotischer Druck Folgen der Osmose in der Biologie Durch Osmose regulieren alle Zellen ihren Wasserhaushalt, kann die Niere Wasser rückresorbieren oder nehmen Pflanzen via Wurzeln Wasser auf. Wird beispielsweise durch das Salzen im Winter das Bodenwasser mit Salz angereichert, können die Wurzeln der Pflanzen kein Wasser aufnehmen. Im Gegenteil: Der Wurzel wird das Wasser entzogen. Die Folge: Die Pflanze trocknet aus.

6 3.5 Diffusion und Osmose am Beispiel einer Zelle Wir betrachten einen Erythrozyten (rotes Blutkörperchen) in der Blutbahn. Erythrozyten sind Zellen mit einer semipermeablen Membran (s.p.m.). Wir denken uns den Erythrozyten in Lösungen unterschiedlicher Konzentration (z.b. in Blutplasma). Isotone Lösung: Die Erythrozyten besitzen gelöste Stoffe (z.b. Hämoglobin). Aber auch das Blutplasma, in dem die Erythrozyten schwimmen, besitzt gelöste Stoffe. Ist der osmotische Druck innerhalb und ausserhalb der Blutzelle gleich, findet beidseitig eine Diffusion von Wasserteilchen statt. Lösungen, die einen gleichen osmotischen Druck aufweisen, sind isoton. Der osmotische Druck des Blutplasmas entspricht dem einer 0,9%igen Kochsalzlösung ("physiologische Kochsalzlösung"). Hypotonische Lösung: Weist das Plasma eine kleinere Konzentration auf als der Erythrozyt, nennt man das Plasma hypotonisch. Unter diesen Voraussetzungen findet nicht mehr eine gleichmässige (beidseitige) Diffusion von Wasserteilchen statt. Es diffundieren mehr Wassermoleküle in den Erythrozyt hinein als heraus und erzeugen eine Osmose. Als Folge der Osmose füllt sich der Erythrozyt langsam mit Wasser und bläht sich auf. Der entstehende osmotische Druck nimmt so lange zu, bis entweder die Osmose zum Stillstand kommt, weil infolge des Druckes im Erythrozyt einfach kein Wassermolekül mehr hinein kann, oder die Zelle platzt (= Hämolyse). Hypertonische Lösung: Wenn die Konzentration an Stoffen im Plasma grösser ist als im Erythrozyt, nennt man das Plasma hypertonisch. Es findet eine Osmose in Richtung Plasma statt. Der Erythrozyt verliert Wasser und schrumpft.

7 3.6 Aggregatszustände Unter Zuhilfenahme des Teilchenmodells und der Tatsache der Molekularbewegung lassen sich die Stoffe in drei Zustände aufteilen und beschreiben. Je nach Temperaturzustand können Stoffe fest, flüssig oder gasförmig sein. Diese drei Zustände werden als Aggregatszustände bezeichnet. Fest: Die Teilchen sind regelmässig angeordnet und eng verpackt. Anziehungskräfte untereinander verhindern ein Verschieben der Teilchen. Flüssig: Die Teilchen bewegen sich frei. Die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen sind gering. Gasförmig: Es herrsch zwischen den Teilchen keine Anziehungskräfte. Sie schwirren frei umher, verteilen sich im Raum und stossen manchmal gegeneinander.

8 3.6.1 Grafische Darstellung Wird beispielsweise einem Stoff Wärme zugeführt (hier Eis), so beginnt dieser zu schmelzen. Der Schmelzvorgang entzieht dem Stoff Wärme, d.h. er wird während dem Schmelzvorgang nicht wärmer, obwohl ihm kontinuierlich Wärme zugeführt wird. Im einem Wärmezufuhr/Temperatur-Diagramm ist der Schmelzpunkt durch eine waagrechte Gerade kennzeichnet. Das Gleiche erfolgt beim Sieden: Solange ein Stoff siedet, entzieht er Wärme, d.h. der Stoff kann trotz ständigem "Aufwärmen" netto gesehen keine Wärme aufnehmen.

9 3.7 Zusätzliche Begriffe Kohäsion Kohäsion ist der Zusammenhalt innerhalb eines Stoffes. Dies entsteht durch diverse Wechselwirkungskräfte (Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, Wasserstoffbrücken, Vander-Waals-Kräfte, etc.) zwischen den einzelnen Teilchen des gleichen Stoffes. Anders ist es an der Oberfläche. Hier werden die Teilchen durch die Kohäsionskräfte nur nach unten und zur Seite angezogen, sodass sie einen Zug zum Inneren der Flüssigkeit erfahren. Daraus resultiert die sogenannte Oberflächenspannung Oberflächenspannung Die Oberflächenspannung entsteht aufgrund von Kohäsionskräfte und bewirkt eine kleinstmögliche Oberfläche (siehe Wassertropfen), dass Wasserläufer auf dem Wasser laufen können oder dass man ein Glas etwas über den Rand füllen kann.

10 3.7.3 Adhäsion Die Adhäsion hingegen ist der Zusammenhalt zwischen verschiedenen Stoffen (haften, kleben). Berührt eine Grenzfläche Gas-Flüssigkeit eine feste Wand, stellt sich ein bestimmter Winkel zwischen Wand und Oberfläche der Flüssigkeit ein. Die Abbildung zeigt diesen Kontaktwinkel für einen Fall einer senkrechten Wand, die sich gut benetzen lässt. Je stärker die Benetzung ist, desto kleiner wird der Winkel und umso höher steigt der obere Rand der Flüssigkeit. Dieses Verhalten in engen Röhren nennt man Kapillareffekt. Der Benetzungsgrad ist abhängig von der Art der Flüssigkeit, vom Material der Oberfläche und deren Beschaffenheit, wie z. B. seiner Rauigkeit Kapillarität Die Kapillarität ist demzufolge eine Eigenschaft von Flüssigkeiten, in engen Gefässen und Spalten, oder an einer Glaswand, entgegen der Schwerkraft (von selbst) emporzuklettern. Sie ist eine Folge starker Adhäsionskräfte. In weiten Gefässen ist dieser Effekt am Rand minim bemerkbar, bei Pipetten als Meniskus (gerundete Oberfläche) erkennbar Ist eine Öffnung sehr eng, dann befindet sich die ganze Flüssigkeit in dieser "Randzone" (Adhäsionszone) und sie steigt recht weit auf. Je dünner das Röhrchen wird, desto höher.

11 3.8 Aufgaben Worin unterscheidet sich die Molekularbewegung von festem, flüssigem oder gasförmigem Wasser? Wo ist die Brownsche Molekularbewegung grösser: In Wasser von 22 C oder in Luft von 22 C? Wo ist die Brownsche Molekularbewegung grösser: In Wasser von 22 C oder in Luft von 22 C? Wasser ist bei 20 C flüssig, Sauerstoff ist bei 20 C gasförmig und Aluminium ist bei 20 C fest. Wie ist das zu erklären? Was verstehen Sie unter Diffusion und unter Osmose? Nennen Sie die Bedingungen, damit eine Osmose stattfinden kann Unter welchen Bedingungen schrumpft ein Erythrozyt? Nennen Sie eine Lösung, welche gegenüber Wasser hypertonisch ist Wann steht die Osmose still? Was passiert dann?