TEILCHENMODELL UND AGGREGATZUSTÄNDE (FMS)

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1 1 KSO TEILCHENMODELL UND AGGREGATZUSTÄNDE (FMS) Skript Teilchenmodell und Aggregatzustände (FMS) V1.0 08/13 Bor

2 2 INHALTSVERZEICHNIS "TEILCHENMODELL UND AGGREGATZUSTÄNDE" 1. Stoffe bestehen aus kleinsten Teilchen Die Bewegung der kleinsten Teilchen Brown sche Bewegung Diffusion Lösen und kristallisieren Osmose Teilchenmodell und Aggregatzustände Energie und Aggregatzustandsänderungen Teilchenbewegung und Gasdruck Zusammenfassung Teilchenmodell Die Siedetemperatur Die Schmelztemperatur Übungen... 15

3 3 1. Stoffe bestehen aus kleinsten Teilchen Aufgabe I: Beobachten Sie die gezeigten Experimente und machen Sie dazu je eine Skizze. Gibt man 50 ml Alkohol zu 50 ml Wasser und mischt die beiden Stoffe durch schütteln, macht man eine erstaunliche Beobachtung: Das Volumen des Gemischs beträgt nicht 100 ml, sondern nur etwa 96 ml. Eigentlich würde man erwarten, dass sich die Volumina beim Zusammengiessen addieren, wie dies beim Mischen von Alkohol mit Alkohol oder von Wasser mit Wasser der Fall ist. Doch weshalb ist das so? Nehmen wir an, dass die Stoffe Alkohol und Wasser jeweils aus kleinsten kugelförmigen Teilchen bestehen, die sich nur in ihrer Grösse voneinander unterscheiden, so könnte die Volumenverringerung dadurch zustande kommen, dass einige der kleineren Teilchen (zum Beispiel die Wasserteilchen) in die Lücken zwischen den grösseren Teilchen (zum Beispiel den Alkoholteilchen) schlüpfen, wie dies der Modellversuch mit Erbsen und Hirsen veranschaulichte. Wir können also wie folgt zusammenfassen: Die am Beispiel der Volumenverringerung gewonnene Teilchenvorstellung ist von ganz allgemeiner Bedeutung: Wir gehen von nun an davon aus, dass alle Stoffe aus kleinsten kugelförmigen Teilchen aufgebaut sind. Diese kleinsten Teilchen eines Reinstoffs sind untereinander gleich; sie haben die gleiche Masse und Grösse. Handelt es sich jedoch um verschiedene Stoffe, können sie sich voneinander in Masse und Grösse unterscheiden.

4 4 Wegen ihrer äusserst geringen Grösse kann man die kleinsten Teilchen mit optischen Mitteln (Lupen, Mikroskop) nicht einzeln wahrnehmen. Wir müssen uns also bewusst sein, dass wir sie nicht wirklichkeitstreu abbilden können. Wir können nur Vorstellungen und vereinfachte Darstellungen entwickeln, die bestimmte Teile der Wirklichkeit angenähert wiedergeben, niemals aber die ganze Wirklichkeit. Eine solche Vorstellung, die wir uns über den Aufbau der Stoffe machen, nennt man Modell. Eine wesentliche Vereinfachung in unserer Modellvorstellung besteht in der Annahme der kugelförmigen Gestalt der kleinsten Teilchen. Man spricht deshalb auch vom Kugelteilchenmodell. 2. Die Bewegung der kleinsten Teilchen Mit dem Kugelteilchenmodell lassen sich auch andere Erscheinungen wie die Diffusion, das Lösen und Kristallisieren sowie die Aggregatzustände erklären. Dafür muss man das Modell allerdings etwas erweitern. 2.1 Brown sche Bewegung Im Jahre 1827 beobachtete der englische Botaniker Robert Brown unter dem Mikroskop, dass Blütenpollen in einem Wassertropfen Zitterbewegungen ausführen und ihren Standort in nicht vorhersehbarer Weise ändern. Nach ihrem Entdecker wird diese Erscheinung als Brown sche Bewegung bezeichnet. Erst 1905 gelang es dem Physiker Albert Einstein, eine Erklärung für die Brown sche Bewegung zu geben: Mit seiner Theorie der Brown schen Bewegung konnte Einstein den ersten allgemein akzeptierten Beweis dafür erbringen, dass die Materie aus kleinsten Teilchen aufgebaut ist.

5 5 2.2 Diffusion Parfüme oder andere stark riechende Stoffe in einem offenen Gefäss sind nach einiger Zeit im ganzen Raum wahrnehmbar. Man könnte vermuten, dass Luftströmungen die Geruchsstoffe im Raum verteilen. Allerdings breitet sich auch Bromdampf in einem geschlossenen Standzylinder ohne Luftströmung vom Boden her aus, obwohl seine Dichte grösser ist als die der ihn umgebenden Luft. Wir können für die Diffusion also folgende Definition aufschreiben: Aufgabe II: Notieren Sie sich einige Aussagen zu den gezeigten Folien / Bildern. Nicht nur Gase, auch ineinander lösliche Flüssigkeiten vermischen sich durch Diffusion. Dies zeigt die Abbildung rechts. hier wurde eine Lösung von Kaliumpermanganat vorsichtig mit Wasser überschichtet. Zunächst bilden die Flüssigkeiten zwei Phasen mit einer etwas unscharfen Phasengrenze. Im Verlauf von einigen Stunden oder Tagen vermischen sich die Flüssigkeiten aber vollständig. Auch die Diffusion kann man mit der Eigenbewegung der Teilchen erklären: Die Durchmischung kommt dadurch zustande, dass die kleinsten Teilchen der Stoffe in Leerräume wandern, die sich zwischen ihnen befinden. Die Teilchenbewegung ist dabei regellos und ungeordnet. Aufgabe III: Beobachten Sie das gezeigte Experiment und erklären Sie das Phänomen mit den gelernten Fachausdrücken.

6 6 Aufgabe IV: Notieren Sie sich einige wichtige Beobachtungen zur gezeigten Animation auf dem Beamer. Aufgabe V: Füllen Sie die Lücken aus anhand des gezeigten Experiments. Beobachtung: Kaliumpermanganat-Kristall eiskaltes Wasser Kaliumpermanganat-Kristall heisses Wasser Deutung auf der Teilchenebene: Aufgabe VI: Notieren Sie sich das Wichtigste aus dem gezeigten Kurzfilm.

7 7 2.3 Lösen und kristallisieren Ebenso wie die Diffusion lassen sich die Vorgänge des Lösens und Kristallisierens mit dem Kugelteilchenmodell beschreiben: Löst man Kochsalzkristalle in Wasser, kann man sich vorstellen, dass sich die kleinsten Teilchen des Wassers zwischen die kleinsten Teilchen des Kristalls schieben und deren Ablösung von der Oberfläche erleichtern. Die Eigenbewegung der Salz- und Wasserteilchen führt schliesslich dazu, dass sich die Salzteilchen im Lösungsmittel gleichmässig verteilen. Lässt man das Wasser langsam verdunsten, kann man die Salzkristalle wieder zurückgewinnen: Die Wasserteilchen entweichen aus der Lösung, die Abstände zwischen den kleinsten Teilchen des Salzes werden immer kleiner, bis sich die Teilchen zu regelmässigen Körpern zusammenlagern. So entstehen aus den kleinsten Teilchen des Kochsalzes immer wieder würfelförmige Kristalle. 2.4 Osmose Wenn man die Definition der Osmose im Internet sucht, so findet man: "...die Diffusion von Teilchen durch eine selektiv permeable Membran, wie sie eine biologische Membran darstellt." Ein anschauliches Beispiel für die Wirkung der Osmose ist das Aufplatzen reifer Kirschen nach Benetzung mit Regenwasser. Das Wasser auf der Außenseite der Frucht enthält nur sehr wenig gelöste Teilchen, hat also ein hohes chemisches Potential. Es dringt durch die äußere Haut in die Frucht ein, in der das Wasser als Lösungsmittel durch den hohen

8 8 Zuckergehalt und andere gelöste Stoffe ein niedriges chemisches Potential aufweist. Durch den Wassereinstrom steigt der Druck im Inneren der Frucht und führt zum Aufreißen ihrer äußeren Haut. Diese ist neben anderen Stoffen für Wasser durchlässig, nicht jedoch für Zuckermoleküle; aufgrund dieser Eigenschaften wirkt sie als semipermeable Membran. Wassermoleküle können diese Membran prinzipiell in beide Richtungen passieren, werden jedoch im Inneren der Frucht stärker festgehalten. Die Wassermoleküle müssen dort mit den anderen gelösten Molekülen und Teilchen um den Zugang zur Membran konkurrieren, so dass weniger Wassermoleküle pro Zeiteinheit nach außen dringen als umgekehrt. Aufgabe VII: Lösen Sie folgende Aufgabe mithilfe der oben erwähnten Theorie. Die Zellmembran ist semipermeabel: Wasserteilchen ( ) können die Membran frei passieren, Salzteilchen ( ) aber nicht. (Für Salzteilchen gibt es in der Membran spezielle Transportsysteme). Was geschieht mit den Zellen, wenn man sehr viel destilliertes Wasser trinkt? Was geschieht mit den Zellen, wenn man sehr viel Salz isst?

9 9 3. Teilchenmodell und Aggregatzustände Mit der Modellvorstellung vom Aufbau der Stoffe aus kleinsten Teilchen lassen sich auch die Aggregatzustände und die Übergänge zwischen ihnen erklären. Aufgabe VIII: Notieren Sie sich einige wichtige Beobachtungen zu den gezeigten Folien. Um einen Glasstab zu zerbrechen oder einen Eisenstab zu verbiegen, muss man Kraft aufwenden. Die kleinsten Teilchen eines Feststoffs lassen sich offenbar nur schwer voneinander trennen und gegeneinander verschieben. Zwischen ihnen herrschen Anziehungskräfte. Ein Feststoff lässt sich nicht zusammenpressen, weil die Teilchen dicht nebeneinander angeordnet sind. Die Kristallform vieler fester Stoffe spiegelt die regelmässige Anordnung der kleinsten Teilchen wider. Man spricht auch von einer Gitterordnung oder kurz von einem Gitter. Flüssigkeiten lassen sich kaum zusammendrücken und haben im Unterschied zu Feststoffen auch keine bestimmte Gestalt: sie passen sich jeder Gefässform an. Die Anziehungskräfte zwischen den kleinsten Teilchen eines flüssigen Stoffes können sich offenbar weniger gut auswirken als im festen Zustand: Die Kugelteilchen nehmen keine festen Plätze mehr ein; sie sind gegeneinander beweglich. Die strenge Ordnung des festen Zustands ist aufgehoben. Ein Gas lässt sich im Gegensatz zu einer Flüssigkeit oder einem Feststoff leicht zusammendrücken; es nimmt auch jeden zur Verfügung stehenden Raum ein. Die kleinsten Teilchen eines Stoffs im gasförmigen Zustand müssen sehr weit voneinander entfernt sein. Sie besitzen keinen Zusammenhalt mehr, ihre Anziehungskräfte wirken sich kaum noch aus: Jedes Teilchen kann sich unbeeinflusst von der Anziehung anderer Teilchen fortbewegen. Bei ihrer Bewegung stossen die Teilchen ständig zusammen und ändern dadurch ihre Richtung. Sie bewegen sich somit ungeordnet im Raum.

10 10 In unserer Erklärung der Aggregatzustände mit Hilfe des Teilchenmodells spielen die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen eine zentrale Rolle. Die Wirkung der Anziehungskräfte hängt von der Entfernung der Teilchen untereinander ab: Je weiter entfernt sie voneinander sind, desto geringer sind die Anziehungskräfte. Je geringer aber diese Kräfte sind, umso ungeordneter können sich die Teilchen bewegen. Diese Bewegung ist umso heftiger, je mehr Wärme dem Stoff zugeführt wird. Aufgabe IX: Notieren Sie sich einige wichtige Beobachtungen zur gezeigten Animation. Im festen Zustand bewirkt die Wärmezufuhr immer heftigere Vibrationen der Teilchen; der Feststoff dehnt sich aus. Schliesslich werden die Vibrationen so stark, dass sich Gruppen von Teilchen voneinander lösen. Die Ordnung bricht zusammen; der Feststoff schmilzt. Erhitzt man die Schmelze weiter, wird die Bewegung der Teilchen so gross, dass auch noch vorhandene Gruppen zerstört werden. Durch die zugeführte Wärme vergrössern sich zudem die Teilchenabstände. Wenn die Siedetemperatur erreicht ist, lösen sich die Teilchen ganz voneinander; die Flüssigkeit verdampft. Aufgabe X: Füllen Sie mithilfe der Lehrperson die fehlenden Lücken aus.

11 Energie und Aggregatzustandsänderungen Tiefgekühltes Eis hat eine Temperatur von etwa - 20 C. Nimmt man das Eis aus dem Tiefkühler heraus, steigt seine Temperatur langsam an, bis es bei 0 C zu schmelzen beginnt. Die Temperatur beträgt nun konstant 0 C, bis das Eis geschmolzen ist. Dies lässt sich mit dem Teilchenmodell einfach erklären: Für das Schmelzen wird Energie benötigt. Sie wird von den Teilchen gebraucht, damit sie sich aus dem Gitter lösen können. Diese Energie heisst Schmelzwärme. Wenn eine bestimmte Menge Wasser zu Eis erstarrt, wird genau gleich viel Energie freigesetzt, wie zum Schmelzen der entsprechenden Menge Eis aufgebracht werden muss. Diese Energie heisst Erstarrungswärme. Wird Wasser in einer Pfanne erwärmt, beginnt es bei 100 C zu sieden. Bei dieser Temperatur bilden sich im Innern des Wassers Wasserdampfblasen. Die Temperatur des siedenden Wassers kann nicht über 100 C steigen, selbst dann nicht, wenn man die Hitze ganz aufdreht, denn die zugeführte Wärme wird benötigt, um die Anziehungskräfte zwischen den Wasserteilchen vollständig zu überwinden. Die für das Verdampfen benötigte Energie nennt man Verdampfungswärme. Bei der Kondensation einer bestimmten Menge Wasserdampf wird genau gleich viel Wärmeenergie freigesetzt, wie zum Verdampfen der entsprechenden Menge Wasser aufgebracht werden muss. Man spricht in diesem Fall von der Kondensationswärme. Aufgabe XI: Übernehmen Sie die Skizze von der Tafel.

12 Teilchenbewegung und Gasdruck Erhitzt man ein Gas in einem verschlossenen Behälter, kann sein Druck so gross werden, dass der Behälter platzt. Die Druckerhöhung ist darauf zurückzuführen, dass sich alle Gase beim Erwärmen ausdehnen. Bei ihrer Bewegung stossen die Teilchen eines Gases nicht nur ständig untereinander, sondern auch mit der Gefässwand zusammen. Der Druck im Gefäss wird mit zunehmender Erwärmung grösser, die Stösse der Gasteilchen werden häufiger und heftiger. 4. Zusammenfassung Teilchenmodell Aufgabe XII: Suchen Sie ausführliche Erklärungen für folgende Phänomene. 1. Beobachtung: Um einen Glasstab zu zerbrechen oder ein Metallblech zu verbiegen, muss man Kraft aufwenden. Erklärung: 2. Beobachtung: Flüssigkeiten lassen sich kaum zusammendrücken, sind aber beweglich und passen sich jeder Gefässform an. Erklärung:

13 13 3. Beobachtung: Ein Gas lässt sich im Gegensatz zu einer Flüssigkeit oder einem Feststoff leicht zusammendrücken, es nimmt auch jeden zur Verfügung stehenden Raum ein. Erklärung: Aufgabe XIII: Füllen Sie folgende Lücken aus. Aggregatzustand fest flüssig gasförmig Eigenschaften des Stoffs Abstand zwischen den Teilchen Ordnung der Teilchen Bewegung der Teilchen Anziehungskräfte zwischen den Teilchen Darstellung im Modell

14 14 Übergänge zwischen den Aggregatzuständen Beobachtung: Erwärmt man einen Feststoff, so dehnt er sich aus und schmilzt schliesslich. Erklärung: Die Wärmezufuhr führt zu heftigeren Schwingungen der kleinsten Teilchen. Werden die Schwingungen so stark, dass die Teilchen ihre Plätze verlassen, geht die regelmässige Anordnung der Teilchen verloren und die Teilchen können sich gegeneinander verschieben. Beobachtung: Erwärmt man eine Flüssigkeit, so dehnt sie sich aus. Bei Erreichen des Siedepunktes verdampft sie. Erklärung: Die kleinsten Teilchen bewegen sich immer schneller, ihre Abstände zueinander vergrössern sich. Beim Siedepunkt werden die Anziehungskräfte untereinander überwunden. Beobachtung: Während des Schmelz- und Siedevorgangs ändert sich die Temperatur eines reinen Stoffes auch bei weiterer Wärmezufuhr nicht. Erklärung: Die zugeführte Wärme dient dazu, die Teilchenabstände zu vergrössern und die Anziehungskräfte zu überwinden. Die Teilchen werden aber nicht schneller. 5. Übungen Aufgabe XIV: Erklären Sie mit Hilfe des Kugelteilchenmodells, warum eine Bromportion im gasförmigen Zustand einen grösseren Raum einnimmt als im flüssigen Zustand. Aufgabe XV: Erklären Sie die Vorgänge des Erstarrens und Kondensierens mit Hilfe des Teilchenmodells. Aufgabe XVI: Betrachtet man Milch unter dem Mikroskop, kann man feststellen, dass die Fetttröpfchen in der Milch ständig kleine Zitterbewegungen ausführen. Man bezeichnet dieses Phänomen auch als Brown sche Bewegung. a) Warum hat man dieser Zitterbewegung den Namen des englischen Wissenschaftlers gegeben? b) Erklären Sie das Zittern der Fetttröpfchen mit dem Teilchenmodell.

15 15 Aufgabe XVII: Beim Wachsen von Eisblumen sind keine Wassertropfen zu sehen. Aus Wasserdampf (Luftfeuchtigkeit) sind direkt Eiskristalle entstanden. Benennen Sie die Aggregatzustandsänderungen und geben Sie eine Deutung mit dem Teilchenmodell. Aufgabe XVIII: Wie könnte man mit dem Teilchenmodell erklären, dass gewisse Flüssigkeiten (wie z.b. Alkohol und Wasser) miteinander mischbar sind, andere Flüssigkeiten (wie z.b. Öl und Wasser) dagegen nicht?