Wie sind eigentlich Stoffe aufgebaut?
An zwei einfachen Experimenten werden wir nun das einfache Teilchenmodell herleiten und klären, wie Stoffteilchen beschaffen sind:
Experiment 1: Wenn du einen Zuckerwürfel in Wasser gibst, dann löst sich dieser vollständig auf und ist nicht mehr sichtbar. Eine Geschmacksprobe des Wassers würde dir zeigen (süsse Geschmack des Wassers), dass der Zucker in dem Wasser noch vorhanden ist. Lässt du das Zuckerwasser einige Zeit stehen, so verdunstet das Wasser und du erhältst wieder (sichtbar) den Zucker.
Experiment 2: Du nimmst 25 ml Spiritus (Ethanol) und 25 ml Wasser und schüttest diese beiden Flüssigkeiten zusammen. Misst du nun das Gesamtvolumen der so entstandenen Flüssigkeit, stellst du fest, dass diese “nur noch” ein Volumen von ca. 48 ml hat.
Wie lässt sich nun das einfache Teilchenmodell herleiten und die Beobachtungen aus den beiden Experimenten erklären?
Das vollständige Auflösen des Zuckerwürfels in Experiment 1 zeigt dir, dass alle Stoffe aus kleinen Teilchen bestehen, die für das Auge nicht mehr sichtbar sind. Dabei ist es egal, ob du einen Zueckerwürfel oder ein Salzwürfel in Wasser löst.
Mit dem Zuckerwürfel und dem Wasser haben wir zwei verschiedene Aggregatzustände. Der feste Zuckerwürfel (dem man auch eine regelmäßige Struktur ansehen kann), lässt sich so erklären, dass die Zuckerteilchen im Zuckerkristall nebeneinander und regelmäßig an einer bestimmten Position fest gebunden sind (der Stoff ist daher fest). Diese wie in einem (Zucker)Kristall regelmäßige Struktur gibt es bei Wasser nicht, die (Wasser)teilchen können sich relativ frei bewegen.
Das Lösen des Zuckerwürfels in Wasser wird dadurch verursacht, dass die Wasserteilchen sich relativ frei bewegen. Dadurch drängen die Wasserteilchen nach und nach zwischen die Zuckerteilchen und “lösen” diese aus dem Verband (des Kristalls) heraus. Nach einiger Zeit hat sich so der Zuckerkristall vollständig aufgelöst.
Hast du den Zuckerwürfel in warmen bzw. kalten Wasser gelöst, so ist dir sicher aufgefallen, dass sich der Zuckerwürfel in warmen Wasser schneller löst, als in kaltem Wasser. Dies liegt daran, dass die Teilchen eines Stoffes (auch im Zuckerkristall) in Bewegung sind. Die “Stärke” dieser Bewegung hängt dabei von der Temperatur ab. Je höher die Temperatur, desto schneller bewegen sich die Teilchen und lösen so den Zuckerwürfel umso schneller auf.
Wie lässt sich nun das Ergebnis aus Experiment 2 erklären?
Hierzu hat man ein Modell entwickelt (das einfache Teilchenmodell), um dieses Phänomen zu erklären. Dabei nimmt man an, dass die kleinsten Teilchen der Stoffe winzige Kugeln sind.
Mit Hilfe dieses einfachen Teilchenmodells kann man erklären, warum es zu einer Verringerung des Volumens kam. Die Teilchen der einzelnen Stoffe (Wasser und Spiritus) sind unterschiedlich groß. In den meisten Lehrbüchern findet sich hierzu der Vergleich mit einem Senfkorn und einer Erbse. In diesem Fall stellt das Senfkorn das Wasserteilchen dar und die Erbse das Spiritusteilchen.
Mischt man Erbsen und Senfkörner miteinander, so sieht man, dass die Senfkörner teilweise in die Hohlräume der Erbsen gelangen und so das Gesamtvolumen verringert wird. Genauso verhält es sich beim Mischen von Wasser und Ethanol. Die kleineren Wasserteilchen häufen sich teilweise in den Hohlräumen zwischen den größeren Spritusteilchen und verringern so das Gesamtvolumen.
Das einfache Teilchenmodell hilft dir einige Beobachtungen der in den oben erwähnten Experimenten zu erklären. Dennoch ist dieses Modell sehr ungenau. So lässt sich z.B. nicht erklären, warum ein Stoff bei einer bestimmten Temperatur fest, flüssig oder gasförmig ist. Im Rahmen des Chemieunterrichts wirst du “bessere” Modelle kennenlernen, wie das Bohrsche Atommodell und du wirst Bindungskräfte kennenlernen, die Stoffe (zu einem Feststoff oder Flüssigkeiten) zusammenhalten.
Das einfache Teilchenmodell ist eine theoretische Darstellung von Materie, in der Materie als aus kleinsten Teilen, den sogenannten Teilchen, bestehend dargestellt wird. Dieses Modell hilft dabei, das Verhalten von Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen zu verstehen.
Die drei klassischen Zustände, die man gemäß dem Teilchenmodell unterscheidet, sind: fest, flüssig und gasförmig.
In einem festen Zustand sind die Teilchen eng zusammengepackt und vibrieren nur um ihre Lage. In einem flüssigen Zustand haben die Teilchen mehr Freiheit und können sich aneinander vorbei bewegen. In einem gasförmigen Zustand sind die Teilchen weit voneinander entfernt und bewegen sich frei und schnell.
“Aggregatzustand” bezeichnet im Kontext des Teilchenmodells den Zustand, in dem sich Teilchen einer Substanz (fest, flüssig, gasförmig) unter bestimmten Temperatur- und Druckbedingungen befinden.
Je höher die Temperatur, desto schneller bewegen sich die Teilchen in einer Substanz gemäß dem Teilchenmodell.
Die “Brownsche Bewegung” ist der zufällige, ungerichtete Bewegungszustand von Teilchen, verursacht durch thermische Bewegungen der umgebenden Teilchen.
Nach dem Teilchenmodell sind Teilchen immer in Bewegung, weil es keine absolute Nulltemperatur gibt, bei der alle kinetischen Bewegungen der Teilchen völlig aufhören.
Das Teilchenmodell erklärt die Ausdehnung und Kompression von Materie durch die Bewegung und Anordnung der Teilchen. Bei Erwärmung bewegen sich die Teilchen schneller und benötigen mehr Raum (Ausdehnung), während bei Abkühlung die Bewegung verlangsamt wird und die Teilchen weniger Raum benötigen (Kompression).
Beim Übergang von einem festen zu einem flüssigen Zustand brechen laut dem Teilchenmodell die Bindungen zwischen den Teilchen aufgrund von erhöhter Temperatur auf, so dass sie sich frei bewegen können.
Einzelstoffe bestehen laut dem Teilchenmodell aus einer Art von Teilchen, während Gemische aus mehreren unterschiedlichen Teilchentypen bestehen.