Stoffe, wie zum Beispiel Wasser, Eisen oder Sauerstoff, werden über ihre Eigenschaften beschrieben. Diese Stoffeigenschaften können wir mit den Sinnen wahrnehmen. Zum Beispiel unterscheiden sich Stoffe in ihrer Siedetemperatur oder Schmelztemperatur. Bei Raumtemperatur kannst du alle Aggregatzustände beobachten, wie flüssiges Wasser, festes Eisen und gasförmige Luft. Die drei Erscheinungsformen fest, flüssig und gasförmig kennst du unter der Bezeichnung Aggregatzustand. Um erklären zu können, wieso verschiedene Stoffe ganz unterschiedliche Eigenschaften haben, sind Wissenschaftler der Frage nachgegangen, woraus Stoffe eigentlich bestehen.
In diesem Artikel erfährst du etwas zu dem Teilchenmodell als einen möglichen Ansatz, mit dem wir uns die verschiedenen Eigenschaften von Stoffen erklären können.
Woraus bestehen Stoffe?
Betrachten wir Stoffe im flüssigen Zustand, wie beispielsweise Wasser, so scheint es – selbst unter dem Mikroskop – als wären flüssige Stoffe eine zusammenhängende Masse. Du wirst in diesen Lerneinheiten weitere zahlreiche Phänomene kennenlernen, für die es eine plausible Erklärung gibt: Wir nehmen an, dass Wasser und auch alle anderen Stoffe aus vielen einzelnen Bausteinen aufgebaut sind. Diese Bausteine können wir nicht mit unseren Sinnen – auch nicht mit der besten Vergrößerung – wahrnehmen. Wir sagen daher auch: Die Bausteine gehören nicht zu unserer Wahrnehmungswelt.
Die Bausteine der Stoffe werden als Teilchen bezeichnet. Welche Eigenschaften diese Teilchen haben, fassen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im sogenannten Teilchenmodell zusammen. Das Teilchenmodell kann uns aber nicht sagen, wie die Teilchen genau aussehen. Da wir die Teilchen nicht wahrnehmen können, bleibt uns nichts anderes übrig, als uns die Teilchen vorzustellen. Dabei sollten wir beachten, dass die Vorstellung von den Teilchen möglichst gut zu dem passt, was wir beobachten können. Das Teilchenmodell beruht auf fünf Grundannahmen. Mit den Grundannahmen kannst du auf Teilchenebene Vieles erklären, was du nicht beobachten kannst. Diese Annahmen beschreiben die Eigenschaften der Teilchen und passen zu unseren Beobachtungen.
Die Grundannahmen des Teilchenmodells
Gleichheit: Die Teilchen eines Reinstoffes sind untereinander gleich. Sie haben die gleiche Größe und die gleiche Masse (Abb. 1).
Verschiedenheit: Die Teilchen verschiedener Reinstoffe unterscheiden sich in Größe und Masse (Abb. 2).
Wechselwirkungen: Zwischen den Teilchen herrschen Wechselwirkungen (Abb. 3). Wechselwirkungen sind Anziehungs- und Abstoßungskräfte, die stark vom Abstand der Teilchen abhängen. Die Wechselwirkungen ermöglichen einen Zusammenhalt der Teilchen.
Teilchenbewegung: Teilchen befinden sich in ständiger Bewegung. Diese Bewegung ist ungerichtet. Die Geschwindigkeit der Teilchenbewegung steigt, wenn Energie hinzugefügt wird.
Abb. 4 Teilchenbewegung
Diskontinuum: In dem Raum zwischen den Teilchen befindet sich nichts (Abb. 5).
Stoffebene und Teilchenebene
Mit dem Teilchenmodell haben wir eine neue Welt der Chemie entdeckt: die Modellwelt. Modelle helfen uns dabei, Beobachtungen zu erklären. Die Bestandteile der Modellwelt in der Chemie sind jedoch nicht sichtbar, sondern sind Teil unserer Vorstellungen. Die Teilchen des Teilchenmodells können wir also nicht sehen und doch ist unsere Teilchenvorstellung geeignet, um Phänomene, wie Aggregatzustände oder Druck, zu erklären.
Die Chemiker und Chemikerinnen sprechen statt von verschiedenen Welten von verschiedenen Ebenen. Da gibt es zum einen die Ebene, in der wir beobachten und beschreiben können. Diese Ebene nennen wir die Stoffebene. Diese Ebene kennst du schon dein ganzes Leben lang. Auf der Stoffebene können wir Stoffe mit Hilfe der Stoffeigenschaften charakterisieren. Beispielsweise kannst du sagen, welche Farbe ein Stoff hat oder ob der Stoff bei Raumtemperatur flüssig ist.
Zum anderen gibt es die Teilchenebene. Diese Ebene ist für dich mit dem Teilchenmodell neu dazugekommen. Auf der Teilchenebene benutzen wir Modelle, um die Beobachtungen aus der Stoffebene zu erklären. Du kannst beispielsweise mit Hilfe des Teilchenmodells auf der Teilchenebene erklären, wieso Eis fest ist.
Es ist wichtig, dass wir die Stoffebene und die Teilchenebene nicht vermischen. Sprachlich unterscheiden wir die Stoffebene und die Teilchenebene, indem wir bei der Teilchenebene immer das Wort –Teilchen ergänzen. So sagen wir auf der Stoffebene: “Bei -5°C ist Wasser gefroren. Das gefrorene Wasser ist fest.” Auf der Teilchenebene sagen wir: “Die Wasser-Teilchen liegen sehr dicht beieinander und sind geordnet. Dadurch können die Wasser-Teilchen ihre Plätze nicht verlassen und sie schwingen auf ihren Plätzen.”
Auch zeichnerisch unterscheiden wir die beiden Ebenen (Abb. 5): Wenn wir die Stoffebene und die Teilchenebene gleichzeitig darstellen möchten, zeichnen wir zum Beispiel die Teilchenebene in einen gesonderten Kreis. Der Kreis deutet an, dass wir uns gedanklich in dem gekennzeichneten Bereich in die Teilchenebene begeben. Die Zeichnung in dem Kreis bleibt aber eine Modelldarstellung und ist nicht die Realität.
Darstellung der Teilchen
In vielen Büchern siehst du die Teilchen rund und in bestimmten Farben dargestellt (zum Beispiel blaue Wasserteilchen und weiße Zuckerteilchen). Das Teilchenmodell sagt aber nichts über das Aussehen der Teilchen aus. Die Teilchen von Wasser können wir auch eckig und in rot und die Zuckerteilchen rund und violett zeichnen. Wichtig ist, dass die Teilchen eines Stoffes innerhalb einer Darstellung gleich aussehen (Gleichheit) und wir die Teilchen verschiedener Stoffe voneinander unterscheiden können (Verschiedenheit).
Diese beiden Abbildungen (Abb. 6) stellen genau das Gleiche dar, nämlich eine Zuckerlösung. In der linken Abbildung sind die Wasserteilchen blaue Kreise und die Zuckerteilchen weiße Kreise. In der rechten Abbildung sind die Wasserteilchen rote Fünfecke und die Zuckerteilchen violette Kreise. Die Farben und Formen der Teilchen dienen nur der besseren Unterscheidung. Die Teilchen selbst besitzen keine Farbe und das Teilchenmodell macht keine Aussage über die Form.
Zusammenfassung
In diesem Artikel haben wir das Teilchenmodell zur Erklärung des Aufbaus von Stoffen eingeführt. Wichtig ist, dass Stoffe aus Teilchen bestehen. Die Teilchen eines Stoffes sind gleich (Gleichheit). Die Teilchen verschiedener Stoffe unterscheiden sich durch Größe und Masse (Verschiedenheit).
Das Teilchenmodell ist ein Modell für etwas, das wir nicht mit unseren Sinnen wahrnehmen können. Das Teilchenmodell gibt uns über die Grundannahmen Gleichheit, Verschiedenheit, Teilchenbewegung und Wechselwirkungen hinaus keine weiteren Informationen über die Teilchen. Über die Form oder die Farbe wird zum Beispiel nichts ausgesagt. Auch wenn Teilchen zur besseren Darstellung auf Bildern häufig eingefärbt werden, besitzen sie keine Farbe.