Teilchen als Modell

Erklären mit Modellen – Kugelteilchenmodell – Chemie

Hast du dich schon mal gefragt, warum Tee im heißen Wasser schneller zieht als im kalten Wasser? Um das zu erklären, hilft man sich in der Chemie mit sogenannten Modellen aus. Diese Modelle sind Abbilder der Welt und mit ihnen lassen sich Sachverhalte und Naturerscheinungen anschaulicher erklären. Ein sehr bekanntes Modell in der Chemie ist das Kugelteilchenmodell. Aber was ist ein Kugelteilchenmodell? Und was erklärt das Kugelteilchenmodell? Das wollen wir uns in diesem Text genauer anschauen.

Was ist das Kugelteilchenmodell? – Definition und Erklärung

Das Kugelteilchenmodell ist ein stark vereinfachtes Modell. Es geht davon aus, dass Stoffe aus kleinen, massiven, unteilbaren Kugeln aufgebaut sind. Diese Kugeln sind feste Teilchen, die so klein sind, dass wir sie nicht sehen können. Dabei gilt, dass Teilchen eines Stoffs die gleiche Größe und Masse haben und Teilchen unterschiedlicher Stoffe sich in ihrer Größe und Masse unterscheiden. Die Teilchen sind dabei in ständiger Bewegung, weil Anziehungskräfte zwischen ihnen wirken.

Was sich alles mithilfe des Kugelteilchenmodells erklären lässt, schauen wir uns in den folgenden Abschnitten an einfachen Beispielen genauer an.

Volumenreduktion beim Mischen von Wasser und Alkohol

Wird das gleiche Volumen an Wasser $(\ce{H2O})$ und Ethanol $(\ce{C2H5OH})$ miteinander vermischt, verringert sich das Gesamtvolumen der Mischung. Sowohl Wasser als auch Ethanol bestehen aus Molekülen. Ein Ethanolmolekül besteht dabei aus mehr Atomen als das Wassermolekül. Allerdings sind die Wassermoleküle viel größer als die Ethanolmoleküle. Beim Mischen der beiden Flüssigkeiten wird das Volumen geringer, weil die kleinen Ethanolmoleküle zwischen die großen Wassermolekülen passen.

Im folgenden Bild kannst du dieses Phänomen der Volumenverkleinerung erklärt mithilfe des Kugelteilchenmodells sehen:

Aggregatzustände und das Kugelteilchenmodell

Im festen Aggregatzustand sind die Atome fest an einen Ort gebunden und zu einer dichten Packung angeordnet. Die Teilchen schwingen auf ihren Plätzen hin und her – sie bewegen sich insgesamt aber nur sehr wenig. Feste Stoffe besitzen eine hohe Dichte.

Dagegen sind die Teilchen in dem flüssigen Aggregatzustand locker angeordnet. Sie berühren sich noch, aber die Bewegung der Teilchen ist stärker. Sie gleiten sozusagen aneinander vorbei.

Im gasförmigen Aggregatzustand berühren sich die Teilchen dagegen nicht mehr. Die Teilchen bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit durch den Raum. Gase haben eine sehr geringe Dichte. Zwischen den gasförmigen Teilchen gibt es Zwischenräume.

Wärmebewegung

Gasteilchen benötigen mehr Platz und besitzen größere Zwischenräume (Ausdehnung bei Wärme). Das kann man leicht an einem einfachen Experiment verdeutlichen:

Werden 10 Milliliter flüssiges Butan $(\ce{CH(CH3)3})$ erhitzt, bilden sich mehr als 2 000 Milliliter Butangas.

$\ce{10 m\ell \quad \underset{Butan}{CH(CH3)3} (l) ->[\Delta T] 2000 m\ell \quad \underset{Butan}{CH(CH3)3} (g)}$

Das liegt am Phänomen der Wärmebewegung: Je höher die Temperatur eines Stoffs ist, desto schneller und stärker ist auch die Bewegung der Teilchen.

Diffusion und das Kugelteilchenmodell

Unter Diffusion wird die Durchmischung unterschiedlicher Teilchen aufgrund der Eigenbewegung verstanden. Die Teilchen im festen, flüssigen und gasförmigen Zustand bewegen sich dabei unterschiedlich schnell. Auch ist, wie weiter oben erklärt, die Bewegung der Teilchen von der Temperatur abhängig. Doch was bedeutet das jetzt?

Du kannst einfach selbst zwei Experimente durchführen: Sprühst du in eine Ecke des Raums Parfüm, verteilen sich die Duftteilchen schnell im gesamten Raum.

Ein anderes Beispiel ist dir aus dem Alltag sicher bekannt. Wenn du Tee ziehen lässt, dann kannst du beobachten, wie die rote Farbe eines Früchtetees schnell das gesamte Wasser färbt. Aber Achtung: Das geht aufgrund der Wärmebewegung schneller mit heißem Wasser als mit kaltem Wasser. Die Abbildung soll dir das verdeutlichen.

Und was passiert nun, wenn du deinen Tee mit Zucker süßt? Dann nimmst du einen Teelöffel Zucker, gibst ihn in den Tee und – der Zucker ist nicht mehr sichtbar. Aber warum ist das so?

Einfach erklärt schieben sich Wasserteilchen zwischen die Zuckerteilchen und trennen diese voneinander. Die Struktur des Zuckers zerfällt in seine Einzelteilchen, die nicht mehr sichtbar sind und sich im Wasser verteilen. Das gleiche Phänomen kannst du mit dem Kugelteilchenmodell auch beim Lösen von Salz in Wasser erklären.

Geschichte des Kugelteilchenmodells

Der Grieche Demokrit hat vor etwa 2 400 Jahren, wahrscheinlich als Erster, die These aufgestellt, dass alle Stoffe aus unsichtbaren kleinsten Teilchen bestehen. Diese Teilchen nannten die Griechen dann atomos, was übersetzt unteilbar bedeutet. Aus dieser Vorstellung heraus entwickelten sich mit der Zeit immer neuere Modelle. Eines dieser Modelle ist das Kugelteilchenmodell von John Dalton beziehungsweise das Dalton-Atommodell.

Dieses Video

In diesem Video werden dir die verschiedenen Aggregatzustände der Stoffe anhand des Kugelteilchenmodells vorgestellt. Die Anordnung der Atome in Stoffen und Stoffgemischen wird dir anschaulich anhand von Modellexperimenten und Computersimulationen veranschaulicht. Du lernst auch den physikalischen Prozess der Diffusion kennen, der durch die Eigenbewegung der Teilchen eines Stoffs zustande kommt.

Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben und Arbeitsblätter zum Thema Kugelteilchenmodell, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!