Grundlagen Atomistischer Aufbau aller Stoffe

Hallo, ich bin euer Physiksigi!
In diesem Video werde ich euch näher den atomistischen Aufbau aller Stoffe erläutern. Ihr werdet dazu die Avogadrozahl kennenlernen, den Ölfleckversuch und die braun'sche Bewegung. All dies wird euch von Nutzen sein, um später mit der kinetischen Gastheorie und der Wärmelehre besser umgehen zu können.
Ich habe euch im Video "Grundlagen Gasgesetz" bereits die 2 Arten des Gasgesetzes gezeigt. T ist die Temperatur des Gases, p der Druck und V das Volumen, in dem es darin steckt. Die Zahl der Teilchen kann nun auf 2 Arten beschrieben werden: Durch die absolute Teilchenzahl N - dies ist die Zahl an Teilchen, die wir erhalten, wenn wir alle einzeln abzählen, und der molaren Menge - der Stoffmenge n. Ein Mol eines Stoffes ist diejenige Menge, die 6,02×10^23 Teilchen enthält. Stellt euch vor, man packt 6,02×10^23 Teilchen in eine Kiste, nennt die Kiste 1 mol und rechnet dann mit Kisten weiter. Die Zahl 6,02×10^23 wird auch bezeichnet als die Avogadrozahl NA. Die absolute Teilchenzahl ist also die Anzahl an Mol×Avogadrozahl. Zum Beispiel liefern dann 3 mol eines Stoffes eine absolute Teilchenzahl von 3×NA, also 18,06×10^23 Teilchen. Neben der Stoffmenge gibt es noch weitere molekulare Größen - die molare Masse, Mm, eines Körpers. Sie ist die Masse, die 1 mol eines Stoffes wiegt. Also die absolute Masse/Anzahl der Mol n. Nach der Formel im Bild unten ist die Stoffmenge n=absolute Teilchenzahl/Avogadrozahl. Die Masse eines einzelnen Teilchens lässt sich damit dann leicht berechnen. Sie ist die Masse eines Mols durch die Anzahl der Teilchen, die in einem Mol enthalten sind, also genau durch die Avogadrozahl.
Es ist ja schön und gut, so viele Teilchen als 1 mol zu betrachten, aber wie kann man nun die Größe eines solchen winzigen Teilchens bestimmen, die Größe von einem Ölmolekül zum Beispiel? Da gibt es den Ölfleckversuch. Mit ihm kann man die Größe eines Ölmoleküls bestimmen und die Avogadrozahl errechnen.
Auf eine Wasseroberfläche wird ein Pulver gestreut, sodass die Oberfläche besser sichtbar ist - hier ein rotes Pulver. Danach mischt man Ölsäure mit Leichtbenzin und Petrolether. Dabei weiß man ganz genau die Konzentrationen der einzelnen Bestandteile. Nimmt man nun einen Tropfen mit bekanntem Volumen, zum Beispiel mit einer Pipette, und lässt ihn auf das Wasser fallen, so bewirken die Zusatzstoffe, dass sich die Ölsäure schnell und gleichmäßig auf der Wasseroberfläche verteilt. Die Zusatzstoffe verdunsten und es bleibt eine Schicht reiner Ölsäure auf dem Wasser. Dieses Öl hat das rote Pulver verdrängt. Man kann nun den Ölfleck genau sehen und seinen Durchmesser messen. Man macht eine Annahme - das Öl hat eine molekulare Schicht gebildet. Es hat sich ja gleichmäßig auf der Wasseroberfläche verteilt.
Als Zweites können wir nun aus der Konzentration der Zusatzstoffe und aus dem ursprünglichen Volumen des Gemisches das Volumen der reinen Ölsäure berechnen, die auf der Wasseroberfläche liegt. Dieses Volumen, das auf der Wasseroberfläche liegt, ist demnach genau die Höhe des Ölteppichs mal seine Fläche. Macht: V=h×(d/2)^2×?. Diese Höhe ist genau 1 Kantenlänge des Moleküls. Nehmen wir an, dass das Molekül einen Würfel bildet, so können wir sein Volumen berechnen. Es ist h^3. Das Volumen des Ölflecks können wir nach der Höhe, h, umstellen: h=Völ/(d/2)^2×?. Das Volumen 1 Ölmoleküls ist genau dieser Wert^3. Wenn wir die Anzahl der Atome kennen, die im Molekül sind, so können wir die Größe eines Atoms berechnen, sofern wir annehmen, dass alle Atome gleich groß sind.
Letztendlich können wir unser Ergebnis überprüfen, indem wir mit unseren Berechnungen die Avogadrozahl bestimmen. Dazu müssen wir nur die molare Masse von Ölsäure im Periodensystem nachschlagen. Das Verhältnis von Gesamtzahl an Ölmolekülen zur Avogadrozahl ist gleich dem Verhältnis von Gesamtmasse und der Masse eines Mols. Nun ist alles bekannt, außer die Gesamtzahl an Ölmolekülen im Ölfleck. Diese können wir aber errechnen, indem wir uns überlegen, dass das Gesamtvolumen des Ölflecks ja nichts anderes ist als das Volumen 1 Moleküls mal die Anzahl N an Molekülen.
Wir stellen um: N=Völfleck/h^3, und setzen dies oben ein. Dann erhalten wir folgende Gleichung NA=Mm/m×Völfleck/h^3. Die Höhe h kann man mit dem Durchmesser des Flecks errechnen. Alles ineinander eingesetzt, erhalten wir für die Avogadrozahl diese Formel. Ich rechne es noch mal ganz langsam vor. Nun können wir noch das obige Volumen eines Moleküls einsetzen, und wir können die Avogadrozahl nur aus der Masse des Flecks, der molaren Masse vom Öl, dem Volumen des Flecks und dem Durchmesser des Ölflecks bestimmen.
Wir haben ganz nebenbei erfahren, dass die Grundeinheit, aus der ein Stoff besteht, als Molekül bezeichnet wird, und dieses Molekül wiederum aus den Atomen besteht. Es gibt nun 3 Arten, wie die Moleküle zusammenhängen können.
Als Erstes, wie zum Beispiel die Eiszapfen vor dem Fenster, können sie fest zusammenhängen. Man nennt den Zustand dann einen Festkörper. Er wird dadurch charakterisiert, dass die einzelnen Moleküle fest miteinander verbunden sind und sich nicht von der Stelle bewegen können, jedoch schwingen sie um ihre Ruhelage.
Erhöht man die Temperatur des Eises, so schmilzt es und wird zu Wasser - hier das Wasser im Kochtopf. Nun ist der Zustand flüssig. Die Wasserteilchen sind immer noch fest miteinander verbunden, können nun jedoch untereinander die Plätze tauschen, somit kann das Wasser beliebig die Form ändern und fließen.
Erhöhen wir weiter die Temperatur des Wassers, so wird es zu Wasserdampf - hier über dem Kochtopf. Das Wasser ist verdunstet und jetzt gasförmig. Die Teilchen sind nicht mehr fest miteinander verbunden und nehmen frei jeden Platz im Raum ein. Wird die Umgebung des Dampfes kälter, so wie an der Decke, so kondensiert der Dampf und wird wieder flüssig. Wird nun die Temperatur noch kälter, so erstarrt das Wasser und wird zu Eis. Dies waren die drei Aggregatszustände.
Woher weiß man allerdings, dass die festen Teilchen um ihre Ruhelage schwingen? Sie kann man nicht mit dem Mikroskop sehen. Man entdeckte, dass zum Beispiel in Milch sich kleine, mikroskopisch sichtbare Fetttropfen im Zickzackkurs durch die Milch bewegen. Man konnte dies so erklären, dass die von den schwingenden Wassermolekülen der Milch angestoßen werden und deswegen von einem Wassermolekül zum anderen gestoßen werden. Dadurch entsteht die unregelmäßige Bewegung - sie wird braun'sche Bewegung genannt. Diese Bewegung beweist also das regelmäßige Schwingen der einzelnen Moleküle des Wassers der Milch.
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!