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Teilchen als Modell

Finde heraus, wie das Kugelteilchenmodell in der Chemie funktioniert. Entdecke, wie es die Volumenreduktion beim Mischen von Substanzen erklärt und welche Rolle es bei den verschiedenen Aggregatzuständen spielt. Interessiert? Tauche ein in die Welt der Teilchen!

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Team Digital
Teilchen als Modell
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Grundlagen zum Thema 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:

Kugelteilchenmodell Wasser und Ethanol (Abbildung Kugelmodell)

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.

Teilchen im Kugelmodell fest flüssig gasförmig
Geschwindigkeit der Teilchen langsam schnell sehr schnell
Bewegung der Teilchen schwingen hin und her gleiten bzw. fließen aneinander vorbei Bewegung mit hoher Geschwindigkeit durch den ganzen Raum
Dichte sehr hoch mittel sehr gering
Anordnung der Teilchen dicht verpackt locker, Teilchen berühren sich aber noch keine Berührung, große Zwischenräume

Was erklärt das Kugelmodell? Aggregatzustände

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.

Wann entstand das Kugelteilchenmodell? Diffusion Tee

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!

Transkript Teilchen als Modell

Hattest du sowas, als du klein warst? Klar, an einem echten Bahnhof geht's ein bisschen anders zu, aber eine Spielzeugbahn ist ja nur ein MODELL. Die für ein Kind WESENTLICHEN Funktionen erfüllt es jedenfalls. Auch Erwachsene nutzen Modelle – und das nicht nur zum Spaß, sondern hauptsächlich, um sich Dinge besser VORSTELLEN zu können. Dabei können Modelle auf den ersten Blick recht unübersichtlich aussehen – wie das "Teilchenmodell", mit dem die Anordnung von Atomen und Molekülen in einem Stoff beschrieben wird. Wenn man weiß, worauf es ankommt, ist so eine Modellvorstellung aber eine tolle Hilfe. Damit auch du den Durchblick bekommst, sehen wir uns in diesem Video die "Teilchen" an, und was diese zu einem "Modell" macht. Also was sind "Teilchen"? Wir gehen davon aus, dass JEDER Stoff, also wirklich JEGLICHE Materie, aus Teilchen zusammengesetzt ist. Das können die "Atome" eines Elements sein, wie bei Gold, oder die "Moleküle" einer Verbindung, wie beim Wasser. Wie genau diese Atome oder Moleküle aufgebaut sind, soll uns erstmal nicht so wichtig sein. Das ist die erste Vereinfachung unseres Teilchenmodells: Wir stellen uns Teilchen als harte, unteilbare Kugeln vor, die innerhalb eines Stoffes alle gleich aussehen. Um zwei Stoffe zu unterscheiden, nehmen wir an, dass die Teilchen zweier Stoffe unterschiedlich groß und unterschiedlich schwer sein können. Gold-Teilchen sind zum Beispiel größer und schwerer als Wasserteilchen. Außerdem können die Teilchen je nach Stoff unterschiedlich angeordnet sein: Streng symmetrisch wie in einem Gitter, oder wild durcheinander, wie es bei Flüssigkeiten wie Wasser der Fall ist. Das hängt mit den Anziehungskräften zusammen, die es zwischen den Teilchen gibt. Diese sorgen dafür, dass ein Stoff nicht auseinanderfällt. Davon abgesehen befindet sich nämlich nichts als leerer Raum zwischen den Teilchen, und sie sind so klein, dass wir sie nicht einzeln sehen können. Ein letzter wichtiger Punkt ist noch, dass Teilchen nicht einfach stillstehen, sondern in Bewegung sind. Sie schwingen auf ihren Plätzen hin und her und können sogar aneinander vorbeigleiten. Jetzt hast du ganz viel über Teilchen gehört, was du dir merken solltest, aber sollten die Dinger nicht eigentlich dabei helfen, etwas zu veranschaulichen und zu erklären? Das KÖNNEN sie auch! Lass uns dazu ein Experiment betrachten: Zuerst nehmen wir fünfzig Milliliter Wasser, und fünfzig Milliliter "Ethanol", also reinen Alkohol. Wenn wir die beiden zusammenkippen, müssten wir auf einhundert Milliliter kommen, oder? Tja, ist nicht so. Drei Milliliter fehlen – ein Fall für unser Teilchenmodell! Wenn wir davon ausgehen, dass Wasser- und Ethanol-Teilchen unterschiedlich groß sind, können wir uns die Teilchenmischung der beiden grob wie eine Mischung aus Reiskörnern und Mandeln vorstellen. NATÜRLICH wird das Volumen der Mischung weniger als die Summe der beiden Einzelmengen sein, denn die Reiskörner füllen die Zwischenräume zwischen den Mandeln! So ist das auch mit den Wasser- und Ethanol-Teilchen. Und das erklärt unseren kleinen Volumenschwund von drei Millilitern. NOCH ein Experiment: Wenn wir einen Teebeutel in heißes Wasser geben, verteilt sich der Tee von ganz alleine, auch wenn wir gar nicht umrühren! Auch DAS erklärt das Teilchenmodell! Wie bereits erwähnt, sind Teilchen ständig in Bewegung – in Flüssigkeiten und Gasen stärker als in Feststoffen. Das nennt man "Brown'sche Molekularbewegung". Diese Bewegung ist umso stärker und schneller, je höher die Temperatur ist! Deshalb breiten sich die Tee-Teilchen in heißem Wasser sehr schnell aus, während das in KALTEM Wasser deutlich langsamer geht. Das kannst du selbst zu Hause ausprobieren! Die Wanderung der Tee-Teilchen vom Ort HOHER Konzentration, also dort wo VIELE sind, zum Ort NIEDRIGER Konzentration, also zum Rand und BODEN des Glases , wird "Diffusion" genannt. Das lässt sich so erklären, dass unterschiedliche Teilchen oft unterschiedlich viel Energie tragen und sich diese Energie idealerweise stets GLEICHMÄẞIG im Raum verteilt. So überträgt sich auch die WÄRME des Tees über die schwingenden Teilchen vom Wasser auf die Tasse, und von dort auf deine Finger. "Aua!" Ein letztes Experiment! Wir legen einen Eiswürfel auf eine warme Herdplatte. Jap, so einfach können Experimente sein. Es ist völlig klar, was passieren wird: Der Eiswürfel schmilzt. Betrachten wir den STOFF, also "Wasser", tut sich eigentlich gar nicht viel. Auf der sogenannten "Stoffebene" können wir lediglich feststellen, dass das Wasser vom "festen" in den "flüssigen" Aggregatzustand übergeht. Auf der "Teilchenebene", also in Bezug auf die Wasser-TEILCHEN, ist allerdings deutlich mehr los. Im Eis sitzen die Teilchen auf festen Positionen. Aufgrund der "Wärmezufuhr" fangen sie an, stärker zu schwingen, bis sie schließlich aus dem Gitter ausbrechen! Das Eis verflüssigt sich. Und mit der Zeit VERDAMPFT es auch! Denn durch noch mehr Wärme nimmt die "Bewegungsenergie" der Wasser-Teilchen weiter zu, bis sie schließlich jegliche Anziehungskräfte überwinden und als Wasserdampf in die Luft steigen. Nicht schlecht, was man mit ein paar Kügelchen verdeutlichen kann, oder? Fassen wir nochmal zusammen. Ein "Modell" dient im Wesentlichen dazu, komplizierte Vorgänge darzustellen und zu veranschaulichen. Das "Teilchenmodell" verdeutlicht, wie sich Stoffe aus Atomen oder Molekülen zusammensetzen und kann mit einfachen Annahmen einige Phänomene erklären. So VERMISCHEN sich Stoffe durch die "Brown'sche Molekularbewegung", und breiten sich durch "Diffusion" aus. Auch der "Aggregatzustand" eines Stoffes kann sich durch die Teilchenbewegung verändern. Es gibt aber auch Dinge, die kann das Teilchenmodell NICHT erklären. Zum Beispiel, warum die Liebe zur Modelleisenbahn bei manchen ein Leben lang nicht nachlässt!

3 Kommentare
3 Kommentare
  1. Also nicht dass was ich brauchte aber dafür sehr gut

    Von Aliya, vor 11 Monaten
  2. Wow 🤩! Sehr schönes und gutbeschriebenes Video, vielen Dank und weiter so, TEAM DIGITAL!👍👍👍👍

    Von Dima Soliman, vor etwa einem Jahr
  3. sehr hilfreich

    Von NIKOL, vor etwa einem Jahr

Teilchen als Modell Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Teilchen als Modell kannst du es wiederholen und üben.
  • Bestimme, in welchen Abbildungen Wasser im Teilchenmodell dargestellt wird.

    Tipps

    Es gibt zwei richtige Antworten.

    Wir stellen uns die Teilchen eines Modells als harte, unteilbare Kugeln vor.

    Wir nutzen Modelle, um uns die Anordnung und Bewegung der Teilchen besser veranschaulichen zu können.

    Lösung

    Die Modelleisenbahn, der Globus, das Spielzeugauto – das alles sind Modelle.
    Wir nutzen Modelle, um uns Dinge und Phänomene besser vorstellen und erklären zu können.

    Das Teilchenmodell soll die Anordnung von Atomen und Molekülen in einem Stoff beschreiben. Folgende Grundaussagen treffen dabei zu:

    • Jeder Stoff ist aus Teilchen zusammengesetzt. Diese stellen wir uns als kleine, unteilbare Kugeln vor.
    • Die Teilchen gleicher Stoffe sehen auch gleich aus. Das bedeutet, sie sind gleich groß und gleich schwer.
    • Zwei unterschiedliche Stoffe haben verschiedene Teilchen. Das heißt, sie unterscheiden sich in Größe und Gewicht. Goldteilchen sind zum Beispiel größer und schwerer als Wasserteilchen.
    • Außerdem können die Teilchen unterschiedlich angeordnet sein: Streng symmetrisch in einem Gitter wie beispielsweise bei einem Eiswürfel oder wild durcheinander wie es beispielsweise bei flüssigem Wasser der Fall ist.
    • Dabei sorgen die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen dafür, dass ein Stoff nicht auseinanderfällt.
    • Zwischen den Teilchen befindet sich nur leerer Raum.
    • Teilchen stehen nicht einfach still, sondern sind ständig in Bewegung.

  • Stelle die Grundaussagen des Teilchenmodells dar.

    Tipps

    Die Teilchen verschiedener Stoffe unterscheiden sich.

    Lösung

    Das Teilchenmodell geht davon aus, dass jeder Stoff, also wirklich jegliche Materie, aus Teilchen zusammengesetzt ist. Das können die Atome eines Elements sein, wie bei Gold, oder die Moleküle einer Verbindung, wie bei Wasser.
    Wir stellen uns Teilchen als harte, unteilbare Kugeln vor, die innerhalb eines Stoffes alle gleich aussehen. Das heißt, sie sind gleich groß und gleich schwer. Um zwei Stoffe zu unterscheiden, nehmen wir an, dass die Teilchen zweier Stoffe unterschiedlich groß und unterschiedlich schwer sein können. Goldteilchen sind zum Beispiel größer und schwerer als Wasserteilchen.
    Außerdem können die Teilchen – je nach Stoff – unterschiedlich angeordnet sein: streng symmetrisch, wie in einem Gitter, oder wild durcheinander, wie es bei Flüssigkeiten wie Wasser der Fall ist. Das hängt mit den Anziehungskräften zusammen, die es zwischen den Teilchen gibt.
    Teilchen stehen nicht einfach still, sondern sind ständig in Bewegung. Sie schwingen auf ihren Plätzen hin und her und können sogar aneinander vorbeigleiten. Zwischen den Teilchen befindet sich nichts als leerer Raum.

  • Erkläre das Teilchenmodell anhand dieser zwei Experimente.

    Tipps

    Die Bewegungsgeschwindigkeit der Teilchen ist abhängig von der Temperatur.

    Drei Textelemente bleiben übrig.

    Lösung

    1. Experiment: Wenn wir 50 ml Wasser und 50 ml Ethanol, also reinen Alkohol, zusammenkippen, dann kommen wir nicht auf 100 ml, sondern auf 97 ml. Dieses Phänomen können wir mit dem Teilchenmodell erklären: Die Wasserteilchen sind kleiner als die Ethanolteilchen und füllen deshalb die Zwischenräume.

    2. Experiment: Geben wir einen Teebeutel in heißes Wasser, verteilt sich der Tee von ganz allein, selbst wenn wir gar nicht umrühren. Auch das erklärt das Teilchenmodell: Teilchen sind ständig in Bewegung – in Flüssigkeiten und Gasen stärker als in Feststoffen. Das nennt man brownsche Molekularbewegung. Diese Bewegung ist umso stärker und schneller, je höher die Temperatur ist. Die Wanderung der Teeteilchen vom Ort hoher Konzentration, also dort, wo viele sind, zum Ort niedriger Konzentration nennt man Diffusion.

  • Zeige auf, was auf Teilchenebene passiert, wenn wir einen Eiswürfel auf eine heiße Herdplatte legen.

    Tipps

    Das ist die Anordnung der Teilchen im festen Aggregatzustand.

    Das ist die Anordnung der Teilchen im flüssigen Aggregatzustand.

    Und das ist die Anordnung der Teilchen im gasförmigen Aggregatzustand.

    Sortiere zunächst die Aggregatzustände von fest zu gasförmig. Überlege anschließend, welche Änderung in der Anordnung der Teilchen damit einhergeht.

    Lösung

    Wenn wir einen Eiswürfel auf eine heiße Herdplatte legen, dann passiert augenscheinlich nicht viel: Der Eiswürfel schmilzt. Auf der „Stoffebene“ können wir lediglich feststellen, dass das Wasser vom festen in den flüssigen bzw. gasförmigen Aggregatzustand übergeht. Auf der „Teilchenebene“ ist allerdings deutlich mehr los:

    • Im Eis sitzen die Teilchen auf festen Positionen. Sie bewegen sich kaum.
    • Aufgrund der Wärmezufuhr fangen sie an, stärker zu schwingen, bis sie schließlich aus dem Gitter ausbrechen.
    • Das Eis verflüssigt sich zu Wasser.
    • Durch noch mehr Wärme nimmt die Bewegungsenergie der Wasserteilchen weiter zu.
    • Sie überwinden schließlich jegliche Anziehungskräfte, sodass die Teilchen sich frei im Raum bewegen.
    • Die Wasserteilchen steigen als Wasserdampf in die Luft.

  • Gib an, welche Stoffe aus Teilchen bestehen.

    Tipps

    Es gibt zwei richtige Aussagen.

    Lösung

    Das Teilchenmodell geht davon aus, dass jeder Stoff, also wirklich jegliche Materie, aus Teilchen zusammengesetzt ist. Das können die Atome eines Elements sein, wie bei Gold, oder die Moleküle einer Verbindung, wie bei Wasser. Somit bestehen sowohl Feststoffe als auch Flüssigkeiten und Gase aus Teilchen. Dabei unterscheiden sich verschiedene Stoffe in ihrer Größe und in ihrem Gewicht. Goldteilchen sind zum Beispiel größer und schwerer als Wasserteilchen.
    Außerdem können die Teilchen – je nach Stoff – unterschiedlich angeordnet sein: streng symmetrisch, wie in einem Gitter, oder wild durcheinander, wie es bei Flüssigkeiten wie Wasser der Fall ist. Das hängt mit den Anziehungskräften zusammen, die es zwischen den Teilchen gibt.

  • Charakterisiere die Aggregatzustände anhand des Teilchenmodells.

    Tipps

    Das ist die Anordnung der Teilchen in einem Feststoff.

    Lösung

    Die Teilchen können – je nach Stoff und Aggregatzustand – unterschiedlich angeordnet sein: streng symmetrisch, wie in einem Gitter, oder wild durcheinander, wie es bei Flüssigkeiten wie Wasser der Fall ist. Das hängt mit den Anziehungskräften zusammen, die es zwischen den Teilchen gibt. Diese sorgen dafür, dass ein Stoff nicht auseinanderfällt. Teilchen stehen nicht einfach still, sondern sind ständig in Bewegung. Allerdings unterscheiden sich diese Eigenschaften auch je nach Aggregatzustand.

    $\underline{\text{Fest}}$

    • Anordnung der Teilchen: im Gitter geordnet
    • Bewegung der Teilchen: kaum beweglich
    • Abstände zwischen den Teilchen: sehr klein
    • Anziehungskräfte: stark

    $\underline{\text{Flüssig}}$
    • Anordnung der Teilchen: wenig geordnet
    • Bewegung der Teilchen: leicht beweglich
    • Abstände zwischen den Teilchen: klein
    • Anziehungskräfte: gering

    $\underline{\text{Gasförmig}}$
    • Anordnung der Teilchen: ungeordnet
    • Bewegung der Teilchen: frei beweglich im Raum
    • Abstände zwischen den Teilchen: groß
    • Anziehungskräfte: kaum