Das Stoffteilchenmodell erklärt physikalische Eigenschaften
Bewegung von Stofftteilchen
Das Stoffteilchenmodell erklärt vor allem die Aggregatzustände und deren Übergänge, also Zustandsänderungen, keine chemischen Umwandlungen (chemische Reaktionen).
Bei einer theoretischen Temperatur von -273,15 °C (= 0 Kelvin) bewegen sich Stoffteilchen überhaupt nicht.
Mit zunehmender Temperatur nehmen Stoffteilchen immer mehr Wärmeenergie auf und wandeln sie in Bewegungsenergie um.
Stellen wir uns einen Stoff vor, der bei Raumtemperatur einen festen Aggregatzustand besitzt. Die Stoffteilchen haben bei Raumtemperatur so viel Bewegungsenergie aufgenommen, dass sie sich gegenseitig anstoßen. Da sie sich aber gegenseitig sehr stark anziehen, können sie ihre festen Plätze nicht verlassen. Man könnte sagen: Sie "zittern" bzw. „zappeln“ an ihrem Platz herum. Das machen dann alle Stoffteilchen mehr oder weniger gleich stark. Die Stoffteilchen bleiben aber auf ihren festen Plätzen. Feststoffe behalten ihre Form.
Erhitzt man diesen Feststoff, so „zappeln“ die Stoffteilchen immer heftiger. Dabei stoßen sie sich immer heftiger an. Das führt dazu, dass sich die Stoffteilchen etwas weiter voneinander entfernen. Die Stoffteilchen brauchen bei ihrem „Zappeln“ mehr Platz. So dehnen sich die meisten Feststoffe beim Erhitzen aus. Dies ist übrigens auch bei Flüssigkeiten und Gasen der Fall.
Wenn man einen Feststoff immer weiter erhitzt, dann schmilzt er irgendwann. Es sei denn, er zersetzt sich vorher. Aber von diesem Fall wollen wir an dieser Stelle nicht ausgehen. Beim Schmelzvorgang „zappeln“ einige Stoffteilchen so heftig, dass sie sich nicht mehr so gut „festhalten“ können, so dass sie sich verschieben oder aneinander vorbeigleiten. Schließlich „zappeln“ alle Stoffteilchen so stark, dass sich keines mehr richtig „festhalten“ kann: Der Stoff ist in den flüssigen Aggregatzustand übergegangen. Flüssigkeiten passen sich der Form des Behälters an, Flüssigkeiten kann man gießen.
Wird die Flüssigkeit weiter erhitzt, so bewegen sich immer mehr Stoffteilchen so heftig, dass sie sich gar nicht mehr gegenseitig festhalten können: Immer mehr Stoffteilchen verlassen den Stoffteilchenverband und damit die flüssige Phase. Sie gehen in den gasförmigen Zustand über. Dort bewegen sie sich mit großer Geschwindigkeit, treffen auf andere Stoffteilchen, übertragen hierbei Energie und bewegen sich, wie Billardkugeln die zusammengestoßen sind, in einer anderen Richtung weiter. Die Stoffteilchen bewegen sich also ungeordnet in alle Richtungen. Die Stoffteilchen im gasförmigen Zustand bewegen sich auch nicht alle gleich schnell. Einige sind etwas schneller, einige etwas langsamer (das soll durch die Länge der Pfeile in der Abbildung verdeutlicht werden).
Man muss sich vorstellen, dass um uns herum unvorstellbar viele, extrem winzige Stoffteilchen mit enormer Geschwindigkeit fliegen, die nach extrem kurzer Strecke aufeinanderprallen und natürlich auch auf uns prallen. Dieser Umstand erklärt die Umgebungstemperatur, da die Stoffteilchen beim Zusammenprall ein Teil ihrer Bewegungsenergie an uns oder andere Gegenstände abgeben.
Wie schnell bewegen sich Stoffteilchen in der Luft und wie viele sind es in einem bestimmten Volumen?
Luft besteht zu rund 78 % aus Stickstoff-Teilchen (Stickstoffmolekülen) und 21 % Sauerstoff-Teilchen (Sauerstoff-Molekülen). In einem Kubikzentimeter Luft sind in Meereshöhe, also bei einem Luftdruck von 1013,25 Hektopascal und einer Temperatur von 15 °C rund 2,5 · 1019 Teilchen (Sauerstoff- und Stickstoff-Moleküle) enthalten, die sich bei dieser Temperatur mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 1623 km/h bewegen und in etwa alle 70 Nanometer (nm), also alle 7 Millionstel Zentimeter aufeinanderprallen. Zum Vergleich: Die Schallgeschwindigkeit in trockener Luft beträgt bei 20 °C 1236 km/h. Eine Gewehrkugel kann eine Geschwindigkeit von 4000 km/h erreichen. Bei einer Temperaturerhöhung von einem Grad Celsius erhöht sich die mittlere Geschwindigkeit der Stoffteilchen in der Luft um rund 3 km/h.
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Link zur Berechnung von Stoffteilchen (Uni Wuppertal): http://hydrogen.physik.uni-wuppertal.de/hyperphysics/hyperphysics/hbase/kinetic/kintem.html#c4 , am 02.11.17 abgerufen.
Teilchendichte nach: Wikipedia, https://de.wikipedia.org/wiki/Teilchendichte#FN_.28b.29, am 02.11.17 abgerufen.
Mittlere freie Weglänge nach Wikipedia, https://de.wikipedia.org/wiki/Mittlere_freie_Weglänge, am 02.11.17 abgerufen.
Beim Abkühlen eines Gases sinkt die mittlere Geschwindigkeit der Stoffteilchen. Sind die Stoffteilchen langsam genug, so können sie sich gegenseitig anziehen. Bei -195,8 °C haben Stickstoff-Moleküle eine mittlere Geschwindigkeit von rund 870 km/h. Diese Geschwindigkeit reicht aus, dass die Stickstoff-Moleküle sich gegenseitig „festhalten“ können: Stickstoff liegt dann im flüssigen Aggregatzustand vor.
Schmelz- und Siedepunkte sind typische Eigenschaften von Reinstoffen.
Reines Wasser siedet immer bei 100°C (bei Normaldruck)! Für jeden Stoff gibt es eine exakte Siede- bzw. Schmelztemperatur, die man messen kann. Bei unbekannten Stoffen kann man auf diese Weise herausbekommen, um welchen Stoff es sich handelt, wenn man entsprechende Tabellen hat.
Eine sehr gute Animation zu den Aggregatzuständen zeigt www.chemie-interaktiv.net
Warum sieht man beim Erhitzen von Wasser schon vor dem Erreichen des Siedepunktes Gasbläschen aufsteigen?
Sogar destilliertes Wasser ist nicht rein, da in ihm immer auch die Gase der Luft zum Teil gelöst sind. Der im Wasser gelöste Sauerstoff ist jedoch in heißem Wasser weniger gut löslich. Daher perlt er beim Erhitzen aus.
Siedet Wasser immer genau bei 100°C?
Nein. Das ist abhängig davon, ob noch andere Stoffe im Wasser gelöst sind. Wasser, in dem z.B. Speisesalz gelöst ist, wird zwar schneller warm, siedet aber erst bei höherer Temperatur. Das liegt daran, dass in diesem Fall nicht alle Wassermoleküle untereinander die recht starken "Wasserstoffbrücken" ausbilden können. Viele Wassermoleküle sind um die Salzteilchen (Ionen) angelagert. Diese umhüllten Ionen können sich leichter in ihrer Gesamtheit bewegen. Beim Siedepunkt müssen sich allerdings die Wassermoleküle von den Ionen lösen. Eine gesättigte Speisesalzlösung siedet daher erst bei 108° Celsius.
Außerdem ist der Siedepunkt noch vom Luftdruck abhängig. Bei niedrigerem Luftdruck (z.B. im Gebirge) siedet Wasser schon bei niedrigerer Temperatur, da weniger Druck auf die Wasseroberfläche das Entweichen von Wassermolekülen begünstigt.
Warum verdunstet Wasser schon bei niedrigen Temperaturen?
Die Wassermoleküle bewegen sich bei einer Temperatur nicht alle gleich schnell. Es gibt immer auch ein paar Moleküle, die sich schneller als andere bewegen. Eben auch so schnell, dass sie die flüssige Phase verlassen können.
Was ist der Unterschied zwischen Wassergas und Wasserdampf?
Nur direkt über der Wasseroberfläche befindet sich beim Sieden Wassergas. Schon etwas oberhalb dieser durchsichtigen Schicht ist die Temperatur nicht mehr 100°C, wodurch schon einige Wassermoleküle kondensieren, also Flüssigkeitströpfchen bilden, was wir als Dampf beobachten können.