Einführung

Nach einer Sporteinheit ist man durstig und trinkt Wasser, um den Durst zu löschen. Bei heißen Tagen sehnt man sich nach einem kühlen Getränk und gibt Eiswürfel hinzu. Um Spaghetti zu kochen, braucht man kochendes Wasser, das dabei verdampft. Bei allen drei Alltagssituationen geht es immer um denselben Stoff: Wasser. Der Unterschied liegt daran, dass das Wasser in unterschiedlichen Formen vorkommt. Hast du das bemerkt?

Aggregatzustände

Wasser kennen wir nämlich in allen drei natürlich vorkommenden Zuständen: fest, flüssig und gasförmig. Wenn sich das Wasser in fester Form befindet, spricht man von Eis. Wenn das Wasser kocht, entsteht dabei Wasserdampf. Die verschiedenen Formen nennt man in der Fachsprache Aggregatzustände. Wenn das Eis aus der Tiefkühltruhe herausgenommen wird, fängt es bei Raumtemperatur an zu schmelzen. Andersherum erstarrt das Wasser zu Eis, wenn man es wieder ins Tiefkühlfach legt. Wenn das Wasser erhitzt wird, dann fängt es an zu kochen und verdampft zu Wasserdampf. Wenn der Wasserdampf wieder abkühlt, dann kondesiert es wieder zu flüssigem Wasser. Kann es passieren, dass Eis direkt zu Wasserdampf umwandelt wird? Auf jeden Fall! Wenn du bei Frost deine nasse Wäsche draußen aufhängst, so wird diese natürlich erstmal hart, weil die nasse Wäsche erstmal gefriert. Nach einer Weile wirst du aber feststellen, dass die Wäsche getrocknet ist. Das gefrorene Wasser ist somit direkt zu Wasserdampf sublimiert. Auch Wasserdampf kann direkt zu Eis resublimieren. Das passiert ebenfalls bei sehr kaltem Wetter, wenn sich auf Blättern und Zweigen Eiskristalle bilden.

Teilchenmodell

Wir wollen den Übergang von einem Aggregatzustand zum anderen mit Hilfe des Kugelteilchenmodells besser verstehen. Hierfür gelten folgende Annahmen:

• Jeder Stoff besteht aus sehr vielen kleinen Teilchen, die für uns unsichtbar sind.

• Die Teilchen befinden sich in ständiger Bewegung.

• Zwischen den Teilchen herrschen Anziehungskräfte.

Wenn das Wasser nun in festem Aggregatzustand vorliegt, befinden sich die Wasserteilchen in einer bestimmten Ordnung und sie nehmen einen festen Platz ein. Dabei schwingen sie auf dem Platz kontinuierlich. Du kannst dir das vorstellen wie deine Klasse im Unterricht. Alle Schüler haben eine bestimmte Sitzordnung und bewegen sich nur an ihrem Platz. Der Grund weshalb die Teilchen so fest an einem Platz vorliegen, liegt daran, dass sie von starken Anziehungskräften zusammengehalten werden. Wird nun das Eis erwärmt, fangen die Teilchen durch die Wärmezufuhr an sich immer schneller zu bewegen. Die Bewegungsenergie ist stärker als die Anziehungskräfte, sodass das Wasser keine feste Form mehr hat, sondern verflüssigt ist. Im flüssigen Aggregatzustand bewegen sich die Wasserteilchem von ihrem Platz. Dennoch spüren die Teilchen noch die Anziehungskräfte ihrer Nachbarn, sodass dieser flüssige Zustand entsteht und sie deshalb nicht ganz im Raum verteilt sind. In dem Klassenbeispiel kannst du dir das so vorstellen, dass die Schüler im Klassenzimmer laufen, aber nicht im Klassenraum verstreut sind. Wenn das Wasser weiterhin erhitzt wird, dann erlangen die Wasserteilchen eine noch schnellere Geschwindigkeit, sodass die Anziehungskräfte nicht mehr herrschen. Die Teilchen sind im ganzen Raum total zerstreut. In unserem Klassenmodell kannst du es dir vorstellen wie nach dem Unterrichtsschluss, wenn alle Schüler im Klassenzimmer rennen.

Schmelz- und Siedetemperatur

Wärme ist eine Form von Energie. Wenn also Wärme hinzugegeben wird, erhalten die Teilchen zusätzliche Energie, die sie zur schnelleren Bewegung leiten. Bei Wasser fängt das Eis bei an zu schmelzen. Man spricht hier von der Schmelztemperatur. Damit das Wasser von flüssig zu gasförmig übergeht, benötigt es . Dies ist dann die sogenannte Schmelztemperatur. Wir haben uns die Aggregatzustände in diesem Skript anhand von Wasser betrachtet. Natürlich können alle Stoffe alle drei Aggregatzustände einnehmen. Jedoch ist die benötigte Energie, um von einem Aggregatzustand in den anderen zu gelangen, bei jedem Stoff unterschiedlich. Eisen kennst du sehr wahrscheinlich hauptsächlich in fester Form. In der Industrie wird Eisen oft verflüssigt. Hierbei liegt die Schmelztemperatur von Eisen bei . Es muss also ganz schön heiß werden, damit das Eisen schmilzt, d.h. die Anziehungskräfte zwischen den Eisenteilchen sind sehr viel stärker als beim Wasser. Sauerstoff wiederum kennst du nur in gasförmigem Aggregatzustand. Das liegt daran, dass die Siedetemperatur von Sauerstoff schon bei liegt. Bei unserer Durchschnittstemperatur von ist es also für den Sauerstoff schon zu warm. Die Anziehungskräfte zwischen den Sauerstoffteilchen sind damit ziemlich schwach.