Du kennst Eis, Wasser und Wasserdampf. Wenn Eis schmilzt, bildet sich Wasser (Abb. 1). Wenn Wasser erhitzt wird, bis es kocht, dann bildet sich Wasserdampf. Es handelt sich hier um denselben Stoff, den wir als Wasser bezeichnen und der aus Wasser-Teilchen besteht. Dennoch unterscheiden sich Eis, Wasser und Wasserdampf sehr deutlich in ihren Eigenschaften.
In diesem Artikel erfährst du, wie du die Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig und deren Eigenschaften auf der Teilchenebene erklären kannst.
Fest, flüssig und gasförmig gilt für alle Stoffe
Die drei Erscheinungsformen Eis, Wasser und Wasserdampf werden auch die Aggregatzustände des Wassers genannt. Stoffe können allgemein in den Aggregatzuständen fest, flüssig oder gasförmig vorliegen. Der Aggregatzustand eines Stoffes ist abhängig von der Temperatur der Umgebung, in der sich der Stoff befindet. So liegt beispielsweise Butter bei Kühlschrank-Temperaturen noch fest vor, bei über 35 °C ist die Butter jedoch flüssig.
Fester Aggregatzustand - dicht zusammene, geordnete und vibrierende Teilchen
Um das Phänomen der Aggregatzustände zu erklären, benötigen wir die Annahmen, dass Teilchen ständig in Bewegung sind und dass zwischen den Teilchen Anziehungskräfte wirken. Bei Feststoffen bewegen sich die Teilchen nur sehr wenig. Die Teilchen liegen dicht zusammen, sind geordnet und vibrieren auf ihren festen Plätzen (Abb. 2). Die Teilchen können ihren Platz nicht verlassen. Die Anziehungskräfte bewirken, dass sich die Teilchen in dem geordneten Zustand befinden. Das liegt daran, dass Anziehungskräfte verhindern, dass sich die Teilchen im Raum voneinander wegbewegen und die Teilchen nicht genug Energie haben, um diese Anziehungskräfte zu überwinden.
Abb. 2 Wasser im festen Aggregatzustand im Teilchenmodell
Flüssiger Aggregatzustand - Teilchen ohne feste Anordnung, passen sich der Form an
Die Bewegung der Teilchen kann durch eine Zufuhr von Energie erhöht werden. Wird einem Stoff Energie zugeführt, so bewegen sich die Teilchen des Stoffes schneller. Wenn durch die Energiezufuhr der Energiegehalt der Teilchen irgendwann so groß wird, dass die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen teilweise überwunden werden, können die Teilchen ihre Plätze verlassen. Der Stoff schmilzt und wird flüssig.
Wenn ein Stoff von einem festen in einen flüssigen Zustand übergeht, bedeutet das, dass die Teilchen des Stoffes zwar noch eng beieinander, aber nicht mehr in einer festen Anordnung sind (Abb. 3). Dass die Teilchen keine feste Anordnung mehr haben, kannst du auf der Stoffebene daran erkennen, dass sich Flüssigkeiten der Form des Gefäßes anpassen, in dem sich die Flüssigkeit befindet. Wenn du flüssiges Wasser in ein Glas gießt, so hast du daher keine sichtbaren Lücken. Wenn Du Eiswürfel in ein Glas füllst, bleibt viel freier Platz zwischen den Eiswürfeln, da sich die Eiswürfel nicht der Form des Glases anpassen können.
Abb. 3 Wasser im flüssigen Aggregatzustand im Teilchenmodell
Gasförmiger Aggregatzustand - schnelle Bewegungen und große Abstände der Teilchen
Wird noch mehr Energie zugeführt, bewegen sich die Teilchen so schnell, dass die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen überwunden werden und die Teilchen sich frei bewegen. Stoßen nun zwei Teilchen gegeneinander, prallen die Teilchen voneinander ab und bewegen sich weit auseinander. Dadurch nehmen die Teilchen nun einen viel größeren Raum ein (Abb. 4).
Wir beobachten dann, dass der Stoff zunehmend in den gasförmigen Zustand übergeht: der Stoff verdampft. Den gasförmigen Zustand erklären wir uns auf der Teilchenebene so, dass die Teilchen sich sehr schnell bewegen und die Abstände zwischen den Teilchen sehr groß sind. Gase nehmen daher ein großes Volumen ein. Die Teilchen selbst ändern sich übrigens nicht und sind noch genauso groß wie vorher.
Abb. 4 Wasser im gasförmigen Aggregatzustand im Teilchenmodell
Warum haben die verschiedenen Stoffe unterschiedliche Schmelz- und Siedetemperaturen?
Die Schmelztemperatur und Siedetemperatur eines Stoffes hängen von den Anziehungskräften zwischen den Teilchen und der Masse der Teilchen ab. Wenn die Teilchen eines Stoffes sich sehr stark anziehen und eine große Masse haben, wird sehr viel Energie benötigt, damit sich die Teilchen schnell genug bewegen und die Anziehungskräfte überwinden. Dieser Stoff hat dann eine hohe Schmelz- und Siedetemperatur. Wenn die Teilchen nur eine geringe Masse haben und sich nur sehr wenig anziehen, verdampft der dazugehörige Stoff schon bei sehr geringen Temperaturen. Da die Teilchen unterschiedlicher Stoffe auch eine unterschiedliche Masse und Anziehungskraft haben, unterscheiden sich die Stoffe in ihren Schmelztemperaturen und Siedetemperaturen. Wegen der unterschiedlichen Schmelztemperaturen und Siedetemperaturen haben bei Raumtemperatur nicht alle Stoffe den gleichen Aggregatzustand. Beispielsweise ist Eisen bei Raumtemperatur fest, Wasser ist flüssig und Sauerstoff ist gasförmig.
Die meisten Stoffe kommen je nach Temperatur in allen drei Aggregatzuständen vor. Die Aggregatzustände unterscheiden sich dabei auf der Teilchenebene durch die Anordnung und Abstände der Teilchen. Die Teilchen selbst verändern sich nicht. Schau dir einmal die die Aggregatzustände von Wasser auf der Teilchenebene an (Abb. 2, Abb. 3, Abb. 4) und teste das interaktive Schaubild in Abbildung 5.
Aggregatzustandsänderungen
Ein Stoff ändert in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur seinen Aggregatzustand. Geht der Stoff vom festen in den flüssigen Zustand über, so nennen wir diesen Vorgang “schmelzen”. Wird der Stoff weiter erhitzt und geht in den gasförmigen Zustand über, so nennen wir diesen Vorgang “verdampfen”. Umgekehrt lässt sich ein gasförmiger Stoff abkühlen und wird flüssig. Diese Zustandsänderung nennen wir “kondensieren”. Wird der Stoff weiter abgekühlt und geht in den festen Zustand über, sprechen wir bei dieser Zustandsänderung von “erstarren”.
Einige Feststoffe weisen eine Besonderheit auf. Werden sie erwärmt, “überspringen” sie den flüssigen Zustand und werden sofort gasförmig. Jod gehört z. B. zu diesen Feststoffen. Wird Jod erwärmt, entstehen lilafarbige Joddämpfe. Eine solche Aggregatzustandsänderung nennen wir “sublimieren”. Beim Abkühlen der Joddämpfe entsteht direkt wieder festes Jod. Diesen Vorgang nennen wir “resublimieren”.
Die Änderungen der Aggregatzustände kannst du im interaktiven Video nachvollziehen (Abb. 6). Schaue in der Animation die Temperatur des Wassers an und beobachte die Veränderungen auf der Teilchenebene. Überprüfe dabei folgende Fragestellungen: Wann werden die Teilchen schneller und wann werden die Teilchen langsamer? Wie können wir uns die Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig auf der Teilchenebene vorstellen? Was passiert beim Verdampfen?
Abb. 6 Video zum Teilchenmodell. Starte das interaktive Video und beobachte, wie sich die Bewegung der Teilchen verändert.
Zusammenfassung
Zusammengefasst lässt sich sagen, dass die Anordnung und Abstände der Teilchen von der Energie der Teilchen, den Anziehungskräften zwischen den Teilchen und der Masse der Teilchen abhängig ist.