2. Teilchenmodell der Materie

a. Aggregatzustände und Teilchenmodell

• Versuch:         

Ein Stück Eis wird langsam erhitzt. 

Beobachtung: Der Feststoff Eis geht bei diesem Vorgang langsam in die Flüssigkeit Wasser über. Bringt man diese Flüssigkeit durch Erhitzen bis zum Siedepunkt, dann geht die Flüssigkeit Wasser in einen gasförmigen Zustand über, es entsteht Wasserdampf.

• Die drei Zustände fest, flüssig und gasförmig bezeichnet man als die drei Aggregatzustände der Stoffe.
• Je nach Aggregatzustand besitzen Stoffe unterschiedliche Beweglichkeiten, welche die Eigenschaften und das Verhalten der  festen, flüssigen und gasförmigen Stoffe erklären.



Feststoffe:

Beispiel: ein Stahlträger

    

Teilchenmodell

    

Eigenschaften
(makroskopisch)

Schwer verformbar.

Schwer zusammendrückbar.

Schwer zerteilbar.

Fest (s).

    

Beschreibung
(mikroskopisch)

Die Teilchen nehmen feste Plätze ein.

Die Teilchen liegen sehr dicht aneinander.

Es bestehen starke Anziehungskräfte zwischen den Teilchen.

Die Teilchen bewegen sich geringfügig, aber
jedes Teilchen nimmt einen festen Platz ein.
Dies bedingt die regelmäßige Form von Kristallen.

Aufgaben

1. Gib eine makroskopische Beschreibung der Eigenschaften der Feststoffe.





2. Gib eine mikroskopische Beschreibung der Feststoffe.







Flüssigkeiten:

Beispiel: Wasser

    

Teilchenmodell

    

Eigenschaften
(makroskopisch)

Leicht verformbar,
flüssige Stoffe haben keine feste Form.

Schwer zusammendrückbar,
ihr Volumen ist bestimmt.


Leicht teilbar


Flüssig (l).

    

Beschreibung
(mikroskopisch)

Die Teilchen nehmen keine festen Plätze ein,
sie sind gegeneinander beweglich.

Die Teilchen liegen dicht aneinander,
die Abstände der Teilchen sind aber
größer als in einem Feststoff.

Die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen
sind kleiner als in einem Feststoff.

Die Teilchen sind unregelmäßig angeordnet.
Sie können sich gegeneinander verschieben und
die Plätze wechseln, bleiben aber zusammen.



Gase:

Beispiel: gefüllter Luftballon

    

Teilchenmodell

    

Eigenschaften
(makroskopisch)

Nehmen den zur Verfügung stehenden Raum ein,
gasförmige Stoffe haben keine eigene Form.

Leicht zusammendrückbar.

Gasförmig (g).

    

Beschreibung
(mikroskopisch)

Die Teilchen sind frei beweglich,
sie bewegen sich mit großer Geschwindigkeit.

Zwischen ihnen ist viel leerer Raum.

Die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen sind gering.

• In den drei Aggregatzuständen besitzen die Stoffteilchen eine eigene Beweglichkeit:
im festen Zustand eine Schwingbewegung, im flüssigen und gasförmigen Zustand eine Fortbewegung und eine Drehbewegung.    
• Die Eigenbewegung der Stoffteilchen ist umso größer, je höher die Temperatur ist. In Gasen ist die Geschwindigkeit der Teilchen größer als in Flüssigkeiten (100 bis 1000 m/s).
• Eine geradlinige Bewegung der Teilchen ist unmöglich, da sie dauernd gegeneinander und gegen die Wände des Gefäßes stoßen. Die Summe aller Zusammenstöße auf die Wände des Behälters ergibt den Druck von Flüssigkeiten und Gasen. 

Aufgaben

1. Gib eine mikroskopische Beschreibung der Flüssigkeiten.














2. Gib eine makroskopische Beschreibung der Eigenschaften der Flüssigkeiten.








3. Gib eine makroskopische Beschreibung der Eigenschaften der Gase.








4. Man kocht morgens Kaffee. Bald riecht man den Kaffeeduft im ganzen Haus.
Beschreibe diesen Vorgang auf der Teilchenebene (gib eine mikroskopische Beschreibung).









b. Übergänge zwischen Aggregatzuständen

• Versuch 1:

Ein Stück Eis wird langsam erhitzt.

Beobachtung:

Der Feststoff Eis geht bei diesem Vorgang langsam in die Flüssigkeit Wasser über. Die Temperatur bleibt konstant bei 0°C, so lange ein Eis-Wasser-Gemisch vorliegt.
Bringt man die Flüssigkeit durch Erhitzen zum Kochen, dann geht die Flüssigkeit Wasser in einen gasförmigen Zustand über, es entsteht Wasserdampf. Die Temperatur bleibt konstant bei 100°C bleibt, so lange ein Wasser-Wasserdampf-Gemisch vorliegt.

Schlussfolgerung:  

Als Schmelztemperatur bezeichnet man die Temperatur wo ein Feststoff schmilzt: den Übergang von fest zu flüssig. Bei dieser konstanten Temperatur liegt ein Feststoff-Flüssigkeit-Gemisch vor.
Als Siedetemperatur bezeichnet man die Temperatur wo eine Flüssigkeit verdampft: den Übergang von flüssig zu gasfömig.
Durch Zuführung von Wärmeenergie (erhitzen), kann man die Übergänge von fest zu flüssig (schmelzen) und von flüssig zu gasförmig (verdampfen) erreichen.

Wasserdampf kondensiert sehr leicht an kalten Fensterscheiben und Wänden. Der Übergang von gasförmig zu flüssig (kondensieren) ist also durch Entzug von Wärmeenergie (abkühlen) möglich.

Ebenso kann man den Übergang von flüssig zu fest (erstarren) erreichen, indem man Wasser im Tiefkühlfach durch Wärmeentzug gefrieren lässt.

Versuch 2:

Iod wird in einem Reagenzglas erhitzt.    
  

Beobachtung








Schlussfolgerung

Bemerkung: Ein Aggregatzustand besteht nur für eine Stoffportion, also für eine große Anzahl von Teilchen. Ein einzelnes Teilchen kann nicht in verschiedenen Aggregatzuständen vorkommen.

Zusammenfassend kann man die verschiedenen Übergänge zwischen Aggregatzuständen wie folgt darstellen:

  

Durch Wärmezufuhr (erwärmen) werden folgende Übergänge möglich:
- schmelzen (Übergang von fest zu flüssig)
- verdampfen (Übergang von flüssig zu gasförmig)
- sublimieren (Übergang von fest zu gasförmig).

Durch Wärmeentzug (abkühlen) werden folgende Übergänge möglich:
- erstarren (Übergang von flüssig zu fest)
- kondensieren (Übergang von gasförmig zu flüssig)
- resublimieren (Übergang von gasförmig zu fest).

Aufgaben

1. Benenne die folgenden Übergänge:
a. Flüssiges Eisen fließt aus dem Hochofen und wird fest



b. Am Gletscher fließt Wasser talwärts



c. Alkoholdämpfe bilden im Liebig-Kühler flüssigen Alkohol



2. In welchen Aggregatzuständen befinden sich Reinstoffe bei folgenden Übergängen?
a. Verdampfen



b. Sublimieren



c. Schmelzen



3. Erkläre den Unterschied zwischen Verdunsten und Verdampfen.




c. Chemische Reaktion und Teilchenmodell

• Synthese von Eisensulfid


Synthese: Herstellung einer Verbindung.

Schwefel

reagiert mit

Eisen

  zu  

Eisensulfid

S

+

Fe

FeS

gelbes Pulver
Reinstoff
Element
3,2 g

graues Pulver
Reinstoff
Element
5,6 g

grauschwarzer Feststoff
Reinstoff
Verbindung
8,8 g

(3,2 + 5,6 =) 8,8 g eines
Schwefel-Eisen-Gemisches

8,8 g einer
Schwefel-Eisen-Verbindung


Modelldarstellung:

S(s)

+

Fe(s)

FeS(s)

+

16 Atome

+

16 Atome

=

32 Atome


1 S-Atom


1 Fe-Atom


1 FeS-Teilchen


Verallgemeinerung:

Schwefel

+

Metall

Metallsulfid

Aufgaben

1. Gib für die folgende chemische Gleichung eine Modelldarstellung an.
__ Na(s) + __ Cl2(g) → __ NaCl(s)        Zeichne acht Salzteilchen als Produkt!











Gib für die folgende chemische Gleichung eine Modelldarstellung an.
__ N2(g) + __ H2(g) → __ NH3(g)     Gehe von 3 Stickstoffmolekülen aus!




• Analyse von Silbersulfid
Analyse: Zersetzung einer Verbindung in Elemente. 


Silbersulfid

wird zersetzt zu

Silber

  und  

Schwefel

Ag2S

2 Ag

+

S

schwarzer Feststoff
Reinstoff
Verbindung
2,48 g

grauer Feststoff
Reinstoff
Element
2,16 g

gelber Feststoff
Reinstoff
Element
0,32 g

2,48 g einer
Silber-Schwefel-Verbindung

(2,16 + 0,32 =) 2,48 g eines
Silber-Schwefel-Gemisches


Modelldarstellung: 

Ag2S(s)

2 Ag(s)

+

S(s)

+

36 Atome

=

24 Atome

+

12 Atome


1 Ag2S-Teilchen


1 Ag-Atom


1 S-Atom


Verallgemeinerung:

Metallsulfid

Metall

+

Schwefel

Aufgaben

1. Gib für die folgende chemische Gleichung eine Modelldarstellung an.
__ HgO(s) → __ Hg(l) + __ O2(g)     Zeichne 6 Sauerstoffmoleküle als Produkt!











2. Gib für die folgende chemische Gleichung eine Modelldarstellung an.
__ H2O(l) → __ H2(g) + __ O2(g)     Gehe von 4 Wassermolekülen aus!




• Umsetzung
Eine Reaktion bei der Analyse und Synthese gleichzeitig ablaufen.

Beispiel:
Reaktion von Wasser mit Magnesium zu Magnesiumoxid und Wasserstoff


Modelldarstellung:

H2O(l)

+

Mg(s)

MgO(s)

+

H2(g)

  +  

  →  

  +  

27 Atome

+

9 Atome

=

18 Atome

+

18 Atome

d. Aufgaben

Gib für die folgenden chemischen Gleichungen jeweils eine Modelldarstellung an.
a. __ PbO(s) + __ H2(g) → __ H2O(g) + __ Pb(s)     Zeichne 8 Wassermoleküle als Produkt!











b. __ CuO(s) + __ C(s) → __ CO2(g) + __ Cu(s)     Gehe von 12 Kupfer(II)-oxidteilchen aus!











c. __ Ca(s) + __ O2(g) → __ CaO(s)     Gehe von 12 Atomen Calcium aus!













d. __ N2(g) + __ O2(g) → __ NO2(g)     Man erhält 6 Moleküle NO2(g)!













e. __ K(s) + __ O2(g) → __ K2O(s)     Gehe von 8 Molekülen Sauerstoff aus!













f. __ CO(g) + __ O2(g) → __ CO2(g)      Man erhält 12 Moleküle CO2(g)!













g. __ CH4(g) + __ O2(g) → __ CO2(g) + __ H2O(g)     Man erhält 12 Moleküle Wasser!













h. __ Na2S(s) + __ HBr(g) → __ H2S(g) + __ NaBr(s)     Man erhält 16 Teilchen NaBr!













i. __ MgO(s) + __ HCl(g) → __ MgCl2(s) + __ H2O(l)      Gehe von 12 Molekülen HCl aus!













j. __ PbO2(s) + __ CO(g) → __ CO2(g) + __ Pb(s)      Man erhält 8 Atome Blei!















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