Aufgaben: Das Teilchenmodell

Bei der Zubereitung einer Schorle verwendest du Leitungswasser, gibst ein paar Eiswürfel hinein und hinten in der Küche steigt Dampf aus einem Topf auf. Nenne die drei Zustände, in denen Wasser vorkommen kann, und schreibe für jeden ein Beispiel aus dem Alltag auf, das sich von den hier genannten unterscheidet.

Ergänze den Satz mit den fehlenden Wörtern: „Nach dem Teilchenmodell besteht alle Materie aus sehr kleinen $\dots$, die sich in ständiger $\dots$ befinden.“ Erkläre anschließend mit eigenen Worten, warum wir diese Teilchen nicht sehen können.

Anna legt einen Stein, den sie am Strand gesammelt hat, auf das Regal in ihrem Zimmer. Der Stein ändert weder Form noch Größe, egal wo er liegt. Die Abbildung zeigt, wie die Teilchen in einem Feststoff wie ihm angeordnet sind.

Erkläre mit dem Teilchenmodell, warum Feststoffe eine eigene Form und ein eigenes Volumen haben. Überlege, wie ihre Teilchen miteinander verbunden sind und wie sie sich bewegen.

Finn gießt den Saft aus einem breiten Glas in eine schmale Flasche: Der Saft ändert seine Form, aber die Saftmenge bleibt gleich. Die Abbildung zeigt den Saft in den beiden Gefäßen.

Erkläre, warum eine Flüssigkeit ein eigenes Volumen, aber keine eigene Form hat, und überlege dabei, wie sich ihre Teilchen bewegen.

Beim Aufpumpen eines Balls füllt die einströmende Luft am Ende sein ganzes Inneres aus. Es ist egal, ob der Ball kugelförmig ist wie ein Fußball oder oval wie ein Rugbyball: Die Luft füllt ihn immer vollständig aus. In der Abbildung sind ihre Teilchen im Ball dargestellt.

Erkläre, was die Teilchen eines Gases tun und warum Gase weder eine eigene Form noch ein eigenes Volumen haben.

Lena hält mit dem Finger die Öffnung einer mit Luft gefüllten Spritze zu und drückt den Kolben: Die Luft lässt sich ziemlich stark zusammendrücken. Wenn sie die Spritze mit Wasser füllt und den Versuch wiederholt, bewegt sich der Kolben kaum. Die Abbildung zeigt die beiden Versuche.

Welcher Unterschied zwischen den Teilchen eines Gases und denen einer Flüssigkeit erklärt dieses Ergebnis?

Mia sprüht sich in ihrem Zimmer Parfüm auf das Handgelenk und kurze Zeit später riecht ihr Bruder es im Wohnzimmer, ohne dass Zugluft herrscht. Wie sind die Teilchen des Parfüms bis zur Nase ihres Bruders gelangt? Wie heißt dieses Phänomen?

Eine frisch aufgepumpte Luftmatratze ist hart: Wenn du mit der Hand darauf drückst, spürst du Widerstand. Erkläre mit dem Teilchenmodell, was die Luftteilchen an den Innenwänden der Matratze tun und warum das erklärt, dass wir diesen Widerstand spüren.

Hugo lässt vorsichtig und ohne umzurühren einen Tropfen Tinte in ein Glas Wasser fallen. Nach einer Weile ist das ganze Wasser gefärbt, wie in der Abbildung dargestellt.

Welches Phänomen ist aufgetreten? Erkläre es mit dem Teilchenmodell: Was tun die Teilchen der Tinte und die des Wassers?

Wenn aus einer Butangasflasche ein wenig Gas entweicht, riecht man es innerhalb weniger Sekunden in der ganzen Küche. Ein Tropfen Tinte in einem Glas Wasser braucht dagegen mehrere Minuten, um es vollständig zu färben. Warum, glaubst du, ist die Diffusion in Gasen viel schneller als in Flüssigkeiten? Überlege, wie groß der Abstand zwischen den Teilchen ist und wie frei sie sich bewegen können.

In einem Feststoff schwingen die Teilchen fast ohne ihren Platz zu wechseln; in einer Flüssigkeit gleiten sie aneinander vorbei; in einem Gas bewegen sie sich frei durch das ganze Gefäß. Ordne jede Bewegungsart einer dieser Beobachtungen zu und begründe die Zuordnung:

1. a) Ein Eisenblock behält immer seine Form.
2. b) Das Wasser aus einer Flasche kann in ein Glas gegossen werden.
3. c) Die Luft in einem Luftballon füllt sein ganzes Inneres aus.

Lina vergleicht zwei Bälle: einen ohne Luft, der weich ist, und einen frisch aufgepumpten, der hart ist. Im zweiten befinden sich viel mehr Luftteilchen, wie in der Abbildung dargestellt.

Erkläre, indem du an die Stöße der Teilchen gegen die Ballwand denkst, warum der aufgepumpte Ball härter ist.

Auf einer Deodose steht: „Nicht Temperaturen über $50\ ^\circ\text{C}$ aussetzen.“ Die Dose ist dicht verschlossen und enthält Gas unter Druck. Erkläre, was mit den Gasteilchen geschieht, wenn die Dose erwärmt wird, und warum die Dose platzen kann.

Wenn du an einer Bäckerei vorbeigehst, riechst du das frisch gebackene Brot, aber der Geruch erreicht dich nicht sofort: Er braucht ein paar Sekunden für die wenigen Meter bis zu dir, obwohl sich die Aromateilchen sehr schnell bewegen. Was geschieht mit diesen Teilchen auf dem Weg? Denke an die Luftteilchen, die sich bereits zwischen der Bäckerei und deiner Nase befinden.

Nach einer langen Radtour an einem heißen Tag bemerkt Omar, dass die Reifen härter sind als beim Losfahren, ohne dass er die Pumpe benutzt hat und ohne Loch. Erkläre mit dem Teilchenmodell, was mit den Luftteilchen im Inneren der Reifen geschehen ist.

In eine kleine Campinggasflasche passt genug Gas, um viele große Luftballons zu füllen. Wie ist es möglich, dass so viel Gas in einen so kleinen Behälter passt? Stelle einen Zusammenhang zu den leeren Zwischenräumen zwischen den Teilchen eines Gases her.

Bei Hannah zu Hause riecht man die heiße Suppe, die gerade serviert wurde, vom Flur aus, während man die kalte Gazpacho kaum wahrnimmt, bis man die Nase dicht an den Teller hält. Erkläre den Unterschied mit dem Teilchenmodell: Welche Wirkung hat die Temperatur auf die Teilchen und wie beeinflusst das die Diffusion des Geruchs?

Im Labor bereitet Finn zwei Gläser vor: eines mit kaltem Wasser aus dem Kühlschrank und eines mit heißem Wasser. Er lässt in jedes zur gleichen Zeit und ohne umzurühren einen Tropfen Farbstoff fallen, wie in der Abbildung dargestellt.

1. a) Sage voraus, was man nach fünf Minuten in jedem Glas beobachten wird.
2. b) Erkläre deine Vorhersage mit dem Teilchenmodell.
3. c) Formuliere eine allgemeine Schlussfolgerung, die die Temperatur mit der Geschwindigkeit der Diffusion in Beziehung setzt.

Wetterballons, die das Wetter messen, werden nur halb aufgeblasen gestartet. Beim Aufsteigen wird der Druck der Außenluft immer geringer, und der Ballon bläht sich immer weiter auf, bis er platzt. Die Abbildung zeigt den Ballon beim Start und in großer Höhe.

Erkläre, indem du an die Stöße der Teilchen innen und außen denkst, warum der Ballon wächst, wenn der Außendruck sinkt.

Eine leere, gut verschlossene Plastikflasche bleibt in der Sonne in einem Auto liegen: Nach einer Weile ist sie ausgebeult, wie aufgebläht. Legst du sie für ein paar Stunden in den Kühlschrank, ist sie zerknittert und nach innen eingedellt. Erkläre die beiden Veränderungen mit dem Teilchenmodell: Was tun die Teilchen der Luft im Inneren in jedem Fall und was geschieht mit dem Druck?

Ein eingedellter Tischtennisball ohne Löcher wird in heißes Wasser gelegt und erhält seine runde Form zurück.

1. a) Erkläre, warum die Wärme des Wassers hilft, die Delle zu beseitigen: Was tun die Luftteilchen im Inneren?
2. b) Würde der Trick funktionieren, wenn der Ball ein kleines Loch hätte? Begründe deine Antwort.

Valeria füllt eine Spritze mit $10\ \text{mL}$ Luft, hält die Öffnung mit dem Finger zu und drückt den Kolben, bis die Luft nur noch $5\ \text{mL}$ einnimmt.

1. a) Hat sich die Anzahl der Luftteilchen in der Spritze verändert?
2. b) Was geschieht mit der Anzahl der Stöße der Teilchen gegen die Wände pro Sekunde?
3. c) Nimmt der Druck der Luft zu oder ab? Begründe alle drei Antworten.

Entwirf ein Experiment, um zu überprüfen, dass sich die Teilchen eines Gases in ständiger Bewegung befinden, und verwende dazu nur ein Raumspray, eine Stoppuhr und ein Maßband. Gib an:

1. a) Was du tun und was du messen würdest.
2. b) Welches Ergebnis du erwartest.
3. c) Zu welcher Schlussfolgerung du kämst, wenn das Ergebnis die Theorie bestätigt.

Ein Glas Wasser, das auf der Fensterbank eines niedrigen Fensters vergessen wurde, hat nach einigen Wochen weniger Wasser, obwohl niemand daraus getrunken hat. Erkläre mit dem Teilchenmodell, was mit den schnellsten Teilchen an der Wasseroberfläche passiert. Sage anschließend voraus, was mit dem Wasserstand geschehen würde, wenn das Glas luftdicht verschlossen wäre, und begründe deine Aussage.