Beschreibung der drei Aggregatzustände mit dem Teilchenmodell

Mache dir mithilfe der folgenden Animation klar, wie man sich die Eigenbewegung der Teilchen vorstellt und wie diese von der Temperatur abhängt.

1. Wir betrachten nun die Eigenbewegung der Teilchen in einem Gas. Stelle dazu in der Animation auf dieser Webseite die Regler wie unten dargestellt ein (rot eingerahmt):
2. Stelle nun die Heizeinheit (Heater) ein (grüne Markierung oben).
3. Stelle die Temperatur aufs Minimum (grün eingerahmter Regler unten) und warte einige Sekunden.
4. Betrachte ein einzelnes Gasteilchen und verfolge dessen Bewegung.
5. Stelle die Temperatur nun aufs Maximum und warte wiederum einige Sekunden.
6. Beschreibe die Temperaturabhängigkeit der Eigenbewegung in 1 Satz.

Versuch: Der violettschwarze Feststoff Iod wird in einem Becherglas erhitzt

Erklärung der Beobachtungen

Versuchsaufbau für das Erhitzen und Abkühlen von Iod sowie Beschreibung der Aggregatzustände auf makroskopischer Ebene und auf Teilchenebene (Teilchenmodell). Flüssiges Iod, also Iod (I), ist nie sichtbar.

Versuch: Oranges Bromgas in einem Zylinder

Darstellung mit dem Teilchenmodell

Erklärung auf Teilchenebene (Teilchenmodell) für die Diffusion von Bromgas in einem Zylinder: Das orange Bromgas breitet sich von alleine in Richtung des zweiten Zylinders aus. Nach ca. 1 Stunde – also am Ende des Experiments – hat sich die Gas regelmässig verteilt, da in beiden Zylindern das Gas gleich intensiv orange erscheint. Im Vergleich zu Beginn des Experiments ist das Gas jedoch leicht heller, da die gleiche Anzahl Bromteilchen nun das doppelte Volumen einnimmt, womit sich die Konzentration von Brom halbiert hat.

Erklärung der Beobachtungen

Berücksichtigt man, dass der obere Zylinder im Versuch nicht leer war, sondern Luft enthielt, kann man damit die Vermischung zweier Gase (rot: z. B. Brom; blau: z. B. Luft) durch Diffusion mit dem Teilchenmodell erklären. Die Diffusion beruht auf der Eigenbewegung (Wärmebewegung) von Teilchen. Diese Eigenbewegung ist regellos und ungeordnet: Ein einzelnes Teilchen bewegt sich dabei geradlinig und ändert seine Richtung nur beim Zusammenstoss mit einem anderen Teilchen. Dadurch verteilen sich die Teilchen gleichmässig im zur Verfügung stehenden Raum. Nach vollendeter Diffusion liegt also überall die gleiche Bromkonzentration vor. (Quelle: Wikipedia, modifiziert).

Versuch: Kaliumpermanganat (ein violettes Salz) am Boden eines Zylinders mit Wasser

Erklärung der Beobachtungen

Das violette Salz breitet sich im Zylinder von unten nach oben aus. Nach 5 Wochen ist die Wassersäule überall gleich intensiv violett gefärbt (gleiche Konzentration des violetten Salzes). Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Stoffen ist in Flüssigkeiten deutlich langsamer als in Gasen, da sich die Teilchen in Flüssigkeiten sehr viel weniger schnell bewegen als in Gasen. Aber auch hier prallen die Wasserteilchen durch ihre Eigenbewegung stetig auf die Salzteilchen (Kaliumpermanganat) und umgekehrt. Dadurch verteilen sich die Salzteilchen (und die Wasserteilchen) gleichmässig im zur Verfügung stehenden Raum, d. h. in der Wassersäule. Zur Erklärung mit einer Skizze könnte dieselbe Abbildung wie bei der Diffusion von Brom (in Luft) verwendet werden, mit dem Unterschied, dass die Abstände zwischen den Teilchen in einer Flüssigkeit wesentlich geringer wären, da – im Unterschied zu einem Gas – Anziehungskräfte zwischen den Teilchen wirken.

Versuch: Ein gelber Farbstoff wird in zwei Gläser mit Wasser getropft.

In welchem der zwei Gläser befindet sich warmes bzw. kaltes Wasser?

(Quelle: Wikimedia.)

Erklärung der Beobachtungen

Im Glas links breitet sich der gelbe Farbstoff schneller aus, d. h., er diffundiert schneller. Die Farbstoffteilchen dort scheinen also häufiger von Wasserteilchen angestossen zu werden, was auf höhere Geschwindigkeit der Wasserteilchen und damit auf höhere Temperatur des Wassers in diesem Glas schliessen lässt.

Weshalb erwärmt sich eine Teetasse durch den heissen Tee darin?

Erkläre mit dem Teilchenmodell.

Erklärung

Die Wasserteilchen im heissen Tee bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit und stossen dauernd auf die nur langsam an Ort schwingenden Porzellanteilchen der Teetasse. Die Porzellanteilchen beginnen dadurch stärker zu schwingen (die Tasse wird wärmer), während die Wasserteilchen langsamer werden (der Tee kühlt leicht ab).

Brownsche Bewegung (Modellvorstellung)

Die schnelle Wärmebewegung von Flüssigkeits- oder Gasteilchen bewirkt durch häufige Stösse die wesentlich langsamere, unter dem Mikroskop beobachtbare Brownsche Bewegung grösserer sichtbarer Partikel oder Tröpfchen. Mit diesem Modell konnte auch die im Jahre 1827 vom schottischen Botaniker Robert Brown gemachte Beobachtung erklärt werden, der feststellte, dass in einem Wassertropfen verteilte Bruchstücke von Pollenkörnern unter dem Mikroskop sich ruckartig hin und her bewegten.

Brownsche Bewegung bei Milch (Realdarstellung)

Milch ist eine Emulsion, d. h. ein Gemisch von 2 flüssigen Phasen: Die Hauptphase ist Wasser, welches natürlich auch gelöste Salze enthält. Die zweite Phase ist die Fettphase, welche in Form von feinsten Fetttröpfchen (Öltröpfchen) in der Wasserphase verteilt ist. Die Fetttröpfchen (weiss) sind unter dem Mikroskop sichtbar.

(Quelle: Wikimedia.)

Erklärung der Beobachtungen

Unter dem Mikroskop ist eine Zitterbewegung der Fetttröpfchen zu erkennen (= Brownsche Bewegung). Diese (grossen) Fetttröpfchen im Wasser befinden sich in permanenter, zitternder, jedoch langsamer Bewegung, da sie von den Stössen der nicht sichtbaren (viel kleineren) Wasserteilchen andauernd Richtungsänderungen erfahren. Verantwortlich für diese Stösse ist die schnelle Eigenbewegung (Wärmebewegung) der Wasserteilchen:

Brownsche Bewegung bei Milch: Ein Fetttröpfchen erfährt pro Sekunde ca. 10²¹ (1 Trilliarde!) Stösse von Wasserteilchen und bringt dieses in eine ungerichtete Bewegung. In der Abbildung sind der Übersichtlichkeit halber nur wenige Wasserteilchen gezeichnet.

1. Erwärmen des Wassers: Die Wasserteilchen bewegen sich schneller, wodurch sie heftiger und häufiger auf die Zuckerteilchen im Gitter prallen und diese in der Folge schneller aus dem Gitter herauslösen (begünstigt wird Letzteres auch, da die Zuckerteilchen im Gitter stärker schwingen).
2. Rühren: Die bereits aus dem Gitter gelösten Zuckerteilchen bzw. die Komplexe aus Zuckerteilchen und umgebenden Wasserteilchen (vgl. Theorieteil) werden durch das Rühren wegtransportiert, wodurch andere Wasserteilchen an den Zuckerkristall gelangen können und dort mit den Zuckerteilchen wechselwirken, d. h. diese über Anziehungskräfte herauslösen können.
3. Pulverisieren des Zuckers: Durch die Oberflächenvergrösserung (vgl. folgende Abbildung) können gleichzeitig mehr Wassermoleküle mit Zuckerteilchen im Gitter wechselwirken und diese herauslösen. Deshalb löst sich Puderzucker schneller als Kristallzucker bzw. Kandiszucker. Die folgende Skizze dient bloss der Veranschaulichung und muss nicht im Heft festgehalten werden.

Das Pulverisieren von Kristallzucker führt zu einer Oberflächenvergrösserung und damit zu mehr Wechselwirkungsoberfläche für Wasserteilchen.

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