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. Erkläre auf Teilchenebene warum Feststoffe eine eigene Form besitzen.





2. Erkläre auf Teilchenebene warum Feststoffe ein eigenes Volumen besitzen.







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. Wenn man ein Gas zusammendrückt, dann nimmt der Druck zu. Beschreibe diesen Vorgang auf der Teilchenebene. 









2. Eine Flüssigkeit kann ausgegossen werden, ein Feststoff nicht. Beschreibe diesen Vorgang auf der Teilchenebene.









3. Man kocht morgens Kaffee. Bald riecht man den Kaffeeduft im ganzen Haus. Beschreibe diesen Vorgang auf der Teilchenebene.









4. Eine Flüssigkeit nimmt die Form eines Behälters an. Beschreibe diesen Vorgang auf der Teilchenebene. 







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. 12 g Eis werden zu 5 g Wasser (Raumtemperatur) gegeben.
a. Welche Temperatur nimmt das Eis-Wasser Gemisch ein?
b. Nach 10 Minuten ist das Eis geschmolzen. Nach weiteren 15 Minuten hat das Wasser Raumtemperatur erreicht. Das Wasser wird nun in 5 Minuten zum Sieden gebracht und verdampft. Erstelle ein Diagramm, in dem die Temperatur in Funktion der Zeit dargestellt wird. Gib auch an, in welchen Aggregatzuständen das Wasser vorhanden ist.
c. Wieviel g Wasser erhält man, nachdem das Eis vollständig geschmolzen ist. Wieviel g Wasserdampf erhält man nach dem Verdampfen?



















2. Ist die Dichte von Eis kleiner oder größer als die Dichte von Wasser? Begründe deine Antwort durch alltägliche Beobachtungen.









3. Erkläre den Vorgang des Verdampfens auf der Teilchenebene.









4. Erkläre den Vorgang des Erstarrens auf der Teilchenebene.









5. Erkläre mit Hilfe des Teilchenmodells, warum man einen Glasstab nicht zerdrücken kann.









6. Erkläre mit Hilfe des Teilchenmodells, warum die Temperatur während eines Schmelz- oder Siedevorganges konstant bleibt.









7. 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

Aufgaben

1. Gib für die folgende chemische Gleichung eine Modelldarstellung an.
__ PbO(s) + __ H2(g) → __ H2O(g) + __ Pb(s)     Zeichne 8 Wassermoleküle als Produkt!











2. Gib für die folgende chemische Gleichung eine Modelldarstellung an.
__ CuO(s) + __ C(s) → __ CO2(g) + __ Cu(s)     Gehe von 12 Kupfer(II)-oxidteilchen aus!













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