Materialien zum Unterricht

Fest, flüssig, gasförmig

Eis, Wasser und Wasserdampf sehen völlig verschieden aus und sind doch derselbe Stoff. Wie geht das? Alle Stoffe bestehen aus winzig kleinen Teilchen, die sich ständig bewegen. Ob ein Stoff fest, flüssig oder gasförmig ist, hängt davon ab, wie schnell die Teilchen sind und wie fest sie sich gegenseitig anziehen. In vier Versuchen schaust du den Teilchen dabei zu.

Darf ich vorstellen: Molli, ein Wasserteilchen mit roter Bommelmütze. In Wirklichkeit ist Molli rund 30 Millionen Mal kleiner als hier, und Mützen tragen Teilchen leider auch nicht. Dafür halten sie sich gegenseitig fest, und das zeigen wir hier als kleine Hände. Lumi, der Lichtfleck aus den Optik-Versuchen, hat heute frei und lässt grüßen.

Versuch 1: Vom Eiswürfel zum Dampf

Ein Eiswürfel unter der Teilchen-Lupe

Schalte die Platte auf Heizen und beobachte Molli und die Teilchen. Was passiert bei 0 °C, was bei 100 °C? Schalte danach auf Kühlen. Behalte auch das Diagramm rechts im Auge.
Zieh mit der Maus oder dem Finger an einem Teilchen: einmal im Eis, einmal im Wasser. Was ist anders?

Heiz-Kühl-Platte 3000

Temperatur–Zeit-Diagramm (letzte Minute)

Merke – das Teilchenmodell:
  • Alle Stoffe bestehen aus kleinsten Teilchen. Die Teilchen bewegen sich ständig. Je wärmer der Stoff, desto schneller sind sie.
  • Die Teilchen ziehen sich gegenseitig an. Ob sie zusammenhalten, hängt davon ab, wie schnell sie sind.
  • Wird ein Stoff fest, flüssig oder gasförmig, ändern sich nur Anordnung und Bewegung der Teilchen. Die Teilchen selbst bleiben gleich.
  • Während ein Stoff schmilzt oder siedet, bleibt seine Temperatur gleich, obwohl weiter geheizt wird. Die Wärme wird gebraucht, um die Teilchen voneinander loszureißen. Bei Wasser: Schmelztemperatur 0 °C, Siedetemperatur 100 °C.

Die drei Aggregatzustände im Vergleich

festflüssiggasförmig
BeispielEis, Holz, EisenWasser, Öl, SaftWasserdampf, Luft
Teilchendicht an dicht, feste Plätzedicht an dicht, verschiebbarweit voneinander entfernt
Bewegungzittern auf der Stellegleiten aneinander vorbeifliegen kreuz und quer
Formfestpasst sich dem Gefäß anfüllt jeden Raum aus
Volumenfestfestnicht fest

Wusstest du? Wasser ist ein Sonderling: Eis braucht etwas mehr Platz als flüssiges Wasser. Deshalb schwimmt Eis oben, und eine volle Flasche im Gefrierfach platzt.

Die Übergänge haben Namen

fest flüssig gasförmig schmelzen erstarren verdampfen kondensieren rot: Wärme zuführen blau: Wärme abgeben

Ganz ohne Lupe gesehen: Wasserdampf ist unsichtbar! Die weiße „Dampfwolke“ über dem Kochtopf besteht schon wieder aus winzigen Wassertröpfchen. Dort ist der Dampf in der kühlen Luft kondensiert.

Versuch 2: Kohäsion und Adhäsion

Ein Tropfen, drei Unterlagen

Lass die Tropfen fallen und vergleiche ihre Form. Setz dann die Teilchenbrille auf: Wer hält hier wen fest? Zum Schluss: Unterlagen kippen. Achte auf die Krümel auf dem Lotusblatt.

Einstellungen

Kohäsion: Wasserteilchen halten sich gegenseitig fest Adhäsion: Wasserteilchen halten sich an der Unterlage fest
Merke – Kohäsion und Adhäsion:
  • Kohäsion (lateinisch cohaerere: zusammenhängen) ist die Anziehung zwischen den Teilchen desselben Stoffes. Sie hält einen Wassertropfen zusammen.
  • Adhäsion (lateinisch adhaerere: anhaften) ist die Anziehung zwischen den Teilchen verschiedener Stoffe, zum Beispiel zwischen Wasser und Glas.
  • Ist die Adhäsion größer als die Kohäsion, läuft der Tropfen breit und benetzt die Unterlage (Glas). Ist sie kleiner, bleibt er rund und perlt ab (Lotusblatt, Wachs, Regenjacke).

Versuch 3: Willi, der Wasserläufer

Die Haut des Wassers

Willi joggt übers Wasser, und sogar eine Büroklammer aus Metall schwimmt. Setz die Teilchenbrille auf und schau dir die oberste Teilchenreihe an. Gib dann einen Tropfen Spülmittel dazu (Knopf oder Klick aufs Wasser).

Einstellungen

Merke – Oberflächenspannung:
  • Die Teilchen an der Wasseroberfläche werden nur zur Seite und nach unten gezogen, nicht nach oben. Sie halten sich deshalb besonders fest zusammen. So entsteht eine Art dünne Haut. Man nennt das Oberflächenspannung. Sie ist eine Folge der Kohäsion.
  • Leichte Dinge wie ein Wasserläufer oder eine vorsichtig aufgelegte Büroklammer können von dieser Haut getragen werden.
  • Spülmittel schiebt sich zwischen die Wasserteilchen und schwächt ihren Zusammenhalt. Die Haut reißt, und alles geht unter.

Zum Nachmachen: Lege eine Büroklammer vorsichtig mit einer Gabel auf Wasser. Gib dann einen Tropfen Spülmittel daneben. (Bitte ohne echten Wasserläufer!)

Versuch 4: Kapillarität

Wettklettern in dünnen Röhrchen

Tauche die Röhrchen ein und schau, wie hoch das Wasser klettert. In welchem Röhrchen steigt es am höchsten?

Einstellungen

Röhrchen (innen)Steighöhe
Merke – Kapillarität:
  • In engen Röhrchen (Kapillaren, von lateinisch capillus: Haar) steigt Wasser von selbst nach oben. Das nennt man Kapillarität.
  • Der Grund: Die Adhäsion zwischen Glas und Wasser ist größer als die Kohäsion im Wasser. Die Wand zieht die Teilchen am Rand hoch, und diese ziehen ihre Nachbarn mit.
  • Je enger das Röhrchen, desto höher steigt das Wasser. Halb so dick heißt doppelt so hoch.

Die durstige Blume

Stell eine weiße Blume oder eine Stange Staudensellerie in Wasser mit Tinte oder Lebensmittelfarbe. Am nächsten Tag hat sie farbige Adern. Und wenn du den Stängel unten der Länge nach aufschneidest und die Hälften in zwei verschiedene Farben stellst, wird die Blüte zweifarbig. Pflanzen haben in ihren Stängeln viele haarfeine Röhrchen. Darin steigt das Wasser nach oben.

Kapillarität im Alltag

  • Küchenrolle: Zwischen den Papierfasern sind winzige Spalten. Sie saugen verschüttete Milch auf, sogar nach oben.
  • Zuckerwürfel: Halte eine Ecke in den Kakao. Ruckzuck ist der ganze Würfel braun.
  • Kerzendocht: Das flüssige Wachs klettert im Docht nach oben bis zur Flamme.
  • Schwamm und Handtuch: Viele feine Poren, viel Kapillarität, viel Wasser.
  • Feuchte Wände: Im Mauerwerk kann Wasser aus dem Boden nach oben steigen. Für Hausbesitzer leider weniger lustig.

Und warum wird dein T-Shirt am Rücken nass, wenn nur der Saum im Planschbecken hängt? Genau: Kapillarität.

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