Stoffe bestehen aus kleinsten Teilchen
Die Teilchenvorstellung
Die am Beispiel der Volumenverringerung gewonnene Teilchenvorstellung ist von
ganz allgemeiner Bedeutung. Wir gehen von nun an davon aus, dass alle Stoffe aus
kleinsten kugelförmigen Teilchen aufgebaut sind. Selbst wenn die kleinsten Teilchen
dicht nebeneinander liegen und sich berühren, tritt zwischen ihnen leerer Raum auf,
das heisst, dass sich zwischen den Teilchen keine weiteren Teilchen befinden.
Die kleinsten Teilchen eines Reinstoffes sind untereinander gleich, sie haben die
gleiche Masse und Grösse. Kleinste Teilchen verschiedener Stoffe unterscheiden
sich voneinander in Masse und Grösse.
Wegen ihrer ausserordentlich geringen Grösse kann man die kleinsten Teilchen
selbst mit dem stärksten Mikroskop nicht einzeln wahrnehmen. Man kann sie daher
auch nicht wirklichkeitsgetreu abbilden, sondern nur Modelle, also Vorstellungen und
vereinfachte Darstellungen von ihnen entwickeln, die der Wirklichkeit angenähert
sind. Eine wesentliche Vereinfachung in unserer Modellvorstellung besteht in der
Annahme der kugelförmigen Gestalt der kleinsten Teilchen. Man bezeichnet sie
deshalb auch als Kugelteilchenmodell.
Das Kugelteilchenmodell ist eine vereinfachte Vorstellung vom Aufbau der Stoffe. Mit
ihm lassen sich viele Eigenschaften von Stoffen deuten.
Bei der konkreten Darstellung der Kugelteilchen (z. B. als Erbsen und Senfkörner)
können Eigenschaften auftreten, die man nicht auf die kleinsten Teilchen übertragen
darf. So haben Erbsen und Senfkörner eine Farbe, unser Modell sagt aber nichts
über die Farbe der kleinsten Teilchen aus.
Kaliumpermanganatlösung ergibt ein violettes, aber klares Filtrat. In ihm lassen sich
selbst mit modernsten Elektronenmikroskopen keine einzelnen Teilchen
wahrnehmen. Sehr viel kleinere Poren als Filterpapier haben Dialyseschläuche, die in
der Medizin zur Blutreinigung verwendet werden. Der Durchmesser ihrer Poren
beträgt nur etwa ein Millionstel Millimeter. Der Versuch zeigt, dass
Kaliumpermanganatlösung auch diese Schläuche durchdringt. Die Teilchen in der
Lösung müssen demnach noch kleiner als ein Millionstel Millimeter sein.
Moderne Untersuchungsmethoden haben gezeigt, dass die kleinsten Teilchen der
Stoffe einen Durchmesser von etwa einem Zehnmillionstel Millimeter haben. Sie sind
also so klein, dass erst zehn Millionen von ihnen nebeneinander gelegt einen
Millimeter ergeben würden.
Die am Beispiel der Volumenverringerung gewonnene Teilchenvorstellung ist von
ganz allgemeiner Bedeutung. Wir gehen von nun an davon aus, dass alle Stoffe aus
kleinsten kugelförmigen Teilchen aufgebaut sind. Selbst wenn die kleinsten Teilchen
dicht nebeneinander liegen und sich berühren, tritt zwischen ihnen leerer Raum auf,
das heisst, dass sich zwischen den Teilchen keine weiteren Teilchen befinden.
Die kleinsten Teilchen eines Reinstoffes sind untereinander gleich, sie haben die
gleiche Masse und Grösse. Kleinste Teilchen verschiedener Stoffe unterscheiden
sich voneinander in Masse und Grösse.
Wegen ihrer ausserordentlich geringen Grösse kann man die kleinsten Teilchen
selbst mit dem stärksten Mikroskop nicht einzeln wahrnehmen. Man kann sie daher
auch nicht wirklichkeitsgetreu abbilden, sondern nur Modelle, also Vorstellungen und
vereinfachte Darstellungen von ihnen entwickeln, die der Wirklichkeit angenähert
sind. Eine wesentliche Vereinfachung in unserer Modellvorstellung besteht in der
Annahme der kugelförmigen Gestalt der kleinsten Teilchen. Man bezeichnet sie
deshalb auch als Kugelteilchenmodell.
Das Kugelteilchenmodell ist eine vereinfachte Vorstellung vom Aufbau der Stoffe. Mit
ihm lassen sich viele Eigenschaften von Stoffen deuten.
Bei der konkreten Darstellung der Kugelteilchen (z. B. als Erbsen und Senfkörner)
können Eigenschaften auftreten, die man nicht auf die kleinsten Teilchen übertragen
darf. So haben Erbsen und Senfkörner eine Farbe, unser Modell sagt aber nichts
über die Farbe der kleinsten Teilchen aus.
Kaliumpermanganatlösung ergibt ein violettes, aber klares Filtrat. In ihm lassen sich
selbst mit modernsten Elektronenmikroskopen keine einzelnen Teilchen
wahrnehmen. Sehr viel kleinere Poren als Filterpapier haben Dialyseschläuche, die in
der Medizin zur Blutreinigung verwendet werden. Der Durchmesser ihrer Poren
beträgt nur etwa ein Millionstel Millimeter. Der Versuch zeigt, dass
Kaliumpermanganatlösung auch diese Schläuche durchdringt. Die Teilchen in der
Lösung müssen demnach noch kleiner als ein Millionstel Millimeter sein.
Moderne Untersuchungsmethoden haben gezeigt, dass die kleinsten Teilchen der
Stoffe einen Durchmesser von etwa einem Zehnmillionstel Millimeter haben. Sie sind
also so klein, dass erst zehn Millionen von ihnen nebeneinander gelegt einen
Millimeter ergeben würden.
Die kleinsten Teilchen haben eine Eigenbewegung
Parfüm und andere stark riechende Stoffe, die in einem offenen Gefäss auf dem Experimentiertisch stehen, sind nach kurzer Zeit im ganzen Raum wahrnehmbar. Man könnte vermuten, dass die Geruchsstoffe durch Luftströmungen im Raum transportiert werden. Allerdings breitet sich Bromdampf in einem geschlossenen Standzylinder auch ohne Luftströmung aus, wobei eine vollständige Durchmischung mit der eingeschlossenen Luft stattfindet. Eine solche selbständige Durchmischung verschiedener Stoffe heisstDiffusion.
Die Diffusion lässt sich gut erklären, wenn man davon ausgeht, dass die kleinsten Teilchen eines Stoffes in ständiger Bewegung sind. Ein Durchmischen kommt dann dadurch zustande, dass die kleinsten Teilchen der Stoffe gegenseitig in die zwischen ihnen vorhandenen leeren Räume vordringen. Die Bewegung der kleinsten Teilchen ist dabei völlig regellos und ungeordnet. Nicht nur die kleinsten Teilchen eines Gases, sondern auch die einer Flüssigkeit oder die eines Feststoffes führen eine Eigenbewegung aus. |
Aggregatszustände
Mit dem Kugelteilchenmodell und der Eigenbewegung der kleinsten Teilchen lassen sich nicht nur die Diffusion, sondern auch die Aggregatzustände und die Übergänge zwischen ihnen anschaulich erklären.
Reinstoffe in festem Zustand
Um ein festes Stoff wie z.B. ein Glasstab, kann man nur schwer auseinander nehmen oder etwas zu biegen, raucht ziemlich viel Kraft, weil die kleinen Teilchen lassen sich nicht so leicht. Sie haben ziemlich keine Abstände und die Anziehungskraft ist auch sehr gross. |
Reinstoffe in flüssigem Zustand
Auch Flüssigkeiten lassen sich kaum zusammendrücken, aber sie sind beweglich, lassen sich verformen und passen sich jeder Gefässform an. Offensichtlich sind die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen geringer als bei Feststoffen. Deshalb sind die kleinsten Teilchen einer Flüssigkeit leicht gegeneinander beweglich. Dass die Anziehungskräfte dennoch vorhanden sind, zeigt der Zusammenhalt eines Wassertropfens. Die Abstände zwischen den Teilchen sind gering, aber meist grösser als im Feststoff. |
Reinstoffe in gasförmigen Zustand
Ein Gas lässt sich im Gegensatz zu einer Flüssigkeit oder einem Feststoff leicht zusammendrücken, es nimmt auch jeden zur Verfügung stehenden Raum ein. Dies lässt sich damit erklären, dass sich die kleinsten Teilchen eines Gases sehr weit voneinander entfernen können, weil nur sehr geringe Anziehungskräfte zwischen ihnen wirken. Die Teilchen bewegen sich frei und ungeordnet im Raum. |
Übergänge zwischen den Aggregatzuständen
Erwärmt man einen Feststoff, so dehnt er sich aus. Die Wärmezufuhr führt zu heftigeren Schwingungen der kleinsten Teilchen, der Abstand zwischen den kleinsten Teilchen nimmt zu, die Anziehungskräfte zwischen ihnen werden dadurch kleiner. Schliesslich werden die Schwingungen so gross, dass die Teilchen ihre Plätze verlassen, die regelmässige Anordnung der Teilchen geht verloren, die Teilchen verschieben sich gegeneinander. Der Stoff schmilzt. Bei weiterer Wärmezufuhr bewegen sich die kleinsten Teilchen immer schneller, ihre Abstände zueinander vergrössern sich weiter, bis schliesslich die Anziehungskräfte zwischen ihnen überwunden werden. Der Stoff verdampft (siedet). |
Während des Schmelz- und Siedevorgangs ändert sich die Temperatur eines Reinstoffes auch bei weiterer Wärmezufuhr nicht. Die zugeführte Wärme dient dazu, die Teilchenabstände zu vergrössern und die Anziehungskräfte zu überwinden. Es tritt so lange keine Temperaturerhöhung ein, bis der gesamte Stoff in den flüssigen oder gasförmigen Aggregatzustand übergegangen ist. Das Verdunsten einer Flüssigkeit lässt den Schluss zu, dass auch unterhalb der Siedetemperatur einzelne Teilchen die Flüssigkeit verlassen können. Auch die Oberfläche eines Feststoffes können einzelne Teilchen verlassen, wenn die Anziehungskräfte nicht sehr hoch sind. Der Stoff sublimiert.