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1.3 Teilchenmodell der Stoffe
Chemie-Unterricht von Michael Olah
Was bisher behandelt wurde:
• 1.1 Reine Stoff
• 1.2 Die drei Aggregatszustände
1.3 Teilchenmodell der Stoffe
In der Chemie dienen Modellvorstellungen (gedankliche
Modelle) zur Veranschaulichung bestimmter Vorgänge und
Sachverhalte.
Modelle geben die Realität vereinfacht wieder.
1.3 Teilchenmodell der Stoffe
Mit Hilfe des Teilchenmodells kann man folgendes erklären:
- Der Aufbau eines reinen Stoffes
- Die drei Aggregatzustände
- Das Lösen eines Feststoffes
- Diffusion (selbständige Durchmischung)
Beobachtung 1: Brownsche Bewegung
• Beobachtung von Robert Brown in den 1820er Jahren:
Pollen in Wasser bewegen sich unter dem Mikroskop betrachtet zitterförmig.
Dieses Phänomen wurde als Brownsche Bewegung bezeichnet.
Brownsche Bewegung
• Unter dem Mikroskop betrachtet bewegen sich die Fetttröpfchen in der Milch ebenfalls zitterförmig.
• Milch = Fetttröpfchen in Wasser
Beobachtung 2:Mischen von Wasser und Alkohol
• Mischen von 50 ml Wasser und 50 ml Wasser
• Mischen von 50 ml Alkohol und 50 ml Alkohol
• Mischen von 50 ml Wasser und 50 ml Alkohol
• Was erwartet ihr?
Beobachtung 2:Mischen von Wasser und Alkohol
Beim Mischen von 50 ml Wasser und 50 ml Alkohol entsteht
ein Gemisch mit einem Volumen von nur 97 ml!
Das Teilchenmodell1) Ein reiner Stoff besteht aus sehr vielen sehr kleinen
Teilchen. Alle Teilchen eines reinen Stoffes haben die gleiche Form (gleiches Volumen) und Masse. Zwischen den Teilchen ist leerer Raum.
2) Die Teilchen verschiedener reiner Stoffe sind unterschiedlich.
Reiner Stoff A Reiner Stoff B
Das Teilchenmodell
3) Die Teilchen sind in ständiger Bewegung. Diese ist umso stärker je höher die Temperatur ist.
Erklärung der Brownschen Bewegung
http://www.agwiss.de/Animationen/demos/brown.htm
• Die Teilchen des Wassers und die viel grösseren Fettteilchen stossen zusammen. Wir sehen nur die Zitterbewegung der Fettteilchen, die Wasser-Teilchen sind zu klein und daher unsichtbar für uns.
Erklärung: Mischen von Wasser und Alkohol
Die Volumenverringerung kommt dadurch zustande, dass einige
der kleineren Teilchen in die Lücken zwischen den grösseren
Teilchen schlüpfen.
Das Experiment sagt nichts darüber aus, welche Teilchensorte
(Wasser-Teilchen oder Alkohol-Teilchen) grösser ist.
Modell: Erbsen und Senfkörner
50 ml Bohnen und 50 ml Gerste werden vermischt.
Auch hier kommt es zu einer Volumenverringerung.
Erklärung der Aggregatszustände
mit dem Teilchenmodell
Anziehungskräfte
4) Zwischen den Teilchen bestehen Anziehungskräfte. Je näher zwei Teilchen beieinander sind, desto stärker sind die Anziehungskräfte.
Die Anziehungskräfte haben nur eine geringe Reichweite.
Diese Anziehungskräfte kann man sich wie die magnetische
Kraft bei einem Magnet vorstellen.
Der feste AZ (s)
Die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen halten die
Teilchen in einer regelmässigen Anordnung zusammen.
Man spricht auch von einer Gitteranordnung oder kurz
Gitter. Der Abstand zwischen den Teilchen ist sehr klein.
Schmelzen
Wird ein fester Stoff erwärmt, bewegen sich die Teilchen am
Gitterplatz immer stärker.
Sobald der Schmelzpunkt erreicht wird, brechen die Teilchen
aus dem Gitter aus.
Der flüssige AZ (l)Der Abstand zwischen den Teilchen ist im flüssigen AZ
grösser als im festen AZ, die Anziehungskräfte sind deshalb
schwächer als im festen AZ:
Die Teilchen können zwar zusammengehalten werden, jedoch
nicht in einer regelmässigen Anordnung.
VerdampfenDurch die Erwärmung eines flüssigen Stoffes bewegen sich die
Teilchen immer stärker.
Sobald der Siedepunkt erreicht wird, lösen sich die Teilchen
ganz voneinander.
Der gasförmige AZ (g)
Die Teilchen haben einen grossen Abstand zueinander,
weshalb keine Anziehungskräfte zwischen den Teilchen
mehr herrschen. Die Teilchen bewegen sich frei im
ganzen Raum.
Eigenschaften der Stoffe• Das Teilchenmodell spiegelt sich bei den Eigenschaften
der Stoffe wieder.
Aggregatszustand fest flüssig gasförmig
Anziehungskräfte sehr gross gross schwach
Ordnung der Teilchen
feste Gitterplätze feste Ordnung aufgehoben
völlig ungeordnet
Eigenschaften des Stoffes
schwer verformbar,
schwer teilbar
leicht verformbar,
leicht teilbar
Verteilt sich im ganzen Raum
Energie bei Aggregatzustandsänderungen
Tiefgekühltes Eis hat eine Temperatur von ca. - 20 °C.
Nimmt man das Eis aus dem Tiefkühler steigt die Temperatur
langsam an, bis es bei 0 °C zu schmelzen beginnt. Die
Temperatur beträgt nun konstant 0 °C bis das Eis vollständig
geschmolzen ist. Erst wenn das ganze Eis geschmolzen ist
steigt die Temperatur weiter an.
Zeit-Temperatur-Diagramm der Erwärmung von Eis
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Zeit in Minuten
Tem
per
atu
r in
°C
Schmelz- und ErstarrungswärmeFür das Schmelzen wird Energie benötigt. Sie wird von den
Teilchen gebraucht um die Anziehungskräfte teilweise zu
überwinden und sich aus dem Gitter zu lösen. Diese Energie
heisst Schmelzwärme.
Die gleiche Wärmemenge wird beim Erstarren frei. Diese
Energie nennt man Erstarrungswärme.
Eis (0°C) Schmelzwärme Wasser (0°C)
Eis (0°C) Erstarrungswärme Wasser (0°C)
Beispiel Erstarrungswärme
Bei Handwärmern nützt man die Erstarrungswärme um
gezielt Wärme freizusetzen.
Die Erstarrung braucht eine Initialisierung (Starter), bei
Handwärmern ist dies oft ein Stück Metall, welches geknickt
werden muss.
Verdampfen
Erwärmt man Wasser in einem Topf bis 100 °C beginnt das
Wasser zu sieden. Die Temperatur des Wassers bleibt dabei
konstant bei 100 °C bis alles Wasser verdampft ist.
Verdampfungs- und Kondensationswärme
Beim Verdampfen wird Energie benötigt um die
Anziehungskräfte vollständig zu überwinden. Diese Energie
nennt man Verdampfungswärme.
Die gleiche Wärmemenge wird beim Kondensieren frei. Diese
Energie nennt man Kondensationswärme.
Wasser (100°C) Verdampfungswärme Wasserdampf (100°C)
Wasser (100°C) Kondensationswärme Wasserdampf (100°C)
VerdunstungFlüssiges Wasser wechselt teilweise bereits bei Zimmertemperatur
in den gasförmigen AZ über. Dieser Vorgang nennt man
Verdunstung. Der Grund dafür ist, dass einige Teilchen an der
Oberfläche einer Flüssigkeit sich zu heftig bewegen und nicht
durch die Anziehungskräfte festgehalten werden können.
Auch für die Verdunstung wird Energie benötigt. Man nennt sie
Verdunstungswärme.
Erklärung weiterer Phänomene mit dem Teilchenmodell
Lösen eines Feststoffes
Mit dem Teilchenmodell lässt sich auch das Lösen eines
Feststoffes erklären: Die Teilchen einer Flüssigkeit (z.B.
Wasser) schieben sich zwischen die Teilchen des Feststoffes
im Gitter (z.B. Kochsalz). Die Feststoff-Teilchen lösen sich
vom Gitter und werden gleichmässig verteilt.
Lösen eines Feststoffes
Kochsalz
Wasser
Diffusion
Die selbstständige Durchmischung zweier Stoffe nennt
man Diffusion. Sie beruht auf der freien Beweglichkeit der
Teilchen im flüssigen oder gasförmigen Zustand.
Diffusion
Vor dem Durchmischen befinden sich alle Teilchen einer Sorte
entweder oben oder unten. Da sich die Teilchen frei bewegen
können wird es eine selbstständige Durchmischung geben.
Vor der Durchmischung Nach der Durchmischung
