Teilchen in Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen
Stickstoffmoleküle in der Luft um dich herum bewegen sich bei 30 °C mit etwa 519 m/s, schneller als ein Passagierflugzeug.
Zum Drehen ziehen. Zum Zoomen scrollen oder zwei Finger auseinander- oder zusammenziehen.
Gieße Wasser in ein Glas: Es sammelt sich unten und bildet eine ebene Oberfläche. Bringe dasselbe Wasser zum Sieden, und der Dampf verteilt sich im Raum. Die Wassermoleküle haben sich nicht verändert; H₂O bleibt H₂O, ob als Eis, Wasser oder Dampf. Was sich ändert, sind der Abstand der Moleküle, ihre Anziehung untereinander und ihre Geschwindigkeit. Das Teilchenmodell auf dieser Seite zeigt in jedem Zustand dieselben 40 Teilchen, damit du sie direkt vergleichen kannst.
Die drei Aggregatzustände im Vergleich
| Aggregatzustand | Teilchen | Form und Volumen |
|---|---|---|
| Festkörper | Regelmäßig und dicht angeordnet; schwingen an ihrem Platz | Eigene Form und eigenes Volumen; kaum komprimierbar |
| Flüssigkeit | Dicht, aber ungeordnet; gleiten aneinander vorbei | Nimmt die Form des Gefäßes an, behält sein Volumen; kaum komprimierbar |
| Gas | Weit voneinander entfernt; bewegen sich geradlinig | Füllt den Behälter aus; stark komprimierbar |
Da die Teilchen in Festkörpern und Flüssigkeiten einander bereits berühren, lassen sie sich auch durch stärkeren Druck kaum näher zusammenbringen. Deshalb kann ein hydraulischer Wagenheber eine Kraft durch Öl übertragen, ohne dass das Öl merklich zusammengedrückt wird. Bei einem Gas besteht der größte Teil des Volumens aus leerem Raum zwischen den Molekülen. So kann eine Fahrradpumpe Luft in einen Reifen pressen. Die Kräfte zwischen den Molekülen erklären auch, warum Flüssigkeiten Tropfen bilden und Festkörper ihre Form behalten: In beiden Fällen ziehen sich die Teilchen stark genug an, um zusammenzubleiben. In einem Gas bewegen sie sich zu schnell und sind zu weit voneinander entfernt, als dass diese Anziehung sie zusammenhalten könnte.
Wasser bildet eine Ausnahme
Bei den meisten Stoffen ist der Festkörper dichter als die Flüssigkeit. Ein Stück des Festkörpers sinkt deshalb in seiner eigenen Schmelze. Bei Wasser ist das anders. Flüssiges Wasser hat bei 0 °C eine Dichte von 0.99987 g/cm³; beim Gefrieren sinkt die Dichte um etwa 9% (USGS). Eis schwimmt, wobei der größte Teil seines Volumens unter der Oberfläche liegt. Deshalb bleibt der größte Teil eines Eisbergs verborgen. Die offene Anordnung der Moleküle im Eiskristall braucht mehr Platz als die ungeordnete Anordnung in der Flüssigkeit. Flüssiges Wasser selbst ist bei 4 °C mit 1.00000 g/cm³ am dichtesten. Beim Erwärmen nimmt seine Dichte wieder ab, bis auf 0.95865 g/cm³ bei 100 °C.
Temperatur und Teilchenbewegung
Die Celsiusskala legt den Nullpunkt 0 auf den Gefrierpunkt von Wasser. Das ist praktisch, hat aber nichts mit den Teilchen zu tun. Die Kelvinskala beginnt beim absoluten Nullpunkt, der tiefstmöglichen Temperatur von −273.15 °C. Zur Umrechnung addierst du 273.15: Aus 25 °C werden 298.15 K. Auf dieser Skala ist die mittlere kinetische Energie der Teilchen direkt proportional zur Temperatur. Ein Gas bei 600 K besitzt daher die doppelte mittlere kinetische Energie desselben Gases bei 300 K.
Bei einem Gas ergibt sich aus dieser Energie die Geschwindigkeit. Die quadratische Mittelgeschwindigkeit lautet u = √(3RT/M). Dabei ist R gleich 8.314 J/(mol K), T die Temperatur in Kelvin und M die molare Masse in Kilogramm pro Mol. Für Stickstoff bei 30 °C berechnet OpenStax √(3 × 8.314 × 303 ÷ 0.028) = 519 m/s. Schwerere Moleküle bewegen sich bei gleicher Temperatur langsamer: Ein Sauerstoffmolekül erreicht bei −23 °C im Mittel etwa 441 m/s. Die Teilchen in der Abbildung oben sind um einen Faktor von mehreren Millionen verlangsamt, damit du ihnen folgen kannst.
| Kelvin | °C + 273.15; 0 K ist der absolute Nullpunkt |
| Quadratische Mittelgeschwindigkeit | u = √(3RT/M) mit M in kg/mol |
| Dichte von Eis | Etwa 9% geringer als bei flüssigem Wasser, deshalb schwimmt Eis |
| Größte Dichte von Wasser | Bei 4 °C: 1.00000 g/cm³ |
- Rechne 25 °C in Kelvin um.
- Flüssiger Stickstoff siedet bei 77.34 K (NIST). Wie viel ist das in °C (1 Nachkommastelle)?
- Ein Gas wird von 300 K auf 600 K erhitzt. Seine mittlere kinetische Energie …
- verdoppelt sich
- bleibt gleich
- vervierfacht sich
- Berechne die quadratische Mittelgeschwindigkeit eines N₂-Moleküls (M = 0.028 kg/mol) bei 303 K. Runde auf ganze m/s.
- Was bewegt sich bei gleicher Temperatur im Mittel schneller?
- N₂ (28 g/mol)
- O₂ (32 g/mol)
- Sie sind gleich schnell
- Warum lässt sich Luft in einen Reifen pressen, Wasser aber kaum?
- Gasmoleküle sind weit voneinander entfernt; Flüssigkeitsmoleküle berühren sich bereits
- Wassermoleküle sind schwerer
- Luft ist keine Materie
- Wasser hat bei 0 °C eine Dichte von 0.99987 g/cm³. Eis ist etwa 9% weniger dicht. Schätze die Dichte von Eis (2 Nachkommastellen).
- Bei welcher Temperatur hat flüssiges Wasser die größte Dichte?
- 4 °C
- 0 °C
- 100 °C
- In welchem Aggregatzustand berühren sich die Teilchen, gleiten aber aneinander vorbei?
- Flüssigkeit
- Festkörper
- Gas
- Ordne die Aggregatzustände: von den am stärksten gebundenen bis zu den freiesten Teilchen.
- Die Moleküle bleiben gleich; Abstand, Anziehung und Geschwindigkeit ändern sich.
- Eis ist etwa 9% weniger dicht als Wasser und schwimmt deshalb; Wasser ist bei 4 °C am dichtesten.
- K = °C + 273.15; mittlere kinetische Energie ∝ T in Kelvin.
- Gasgeschwindigkeit u = √(3RT/M): N₂ bei 30 °C ≈ 519 m/s.
Quellen zu diesem Kurs (8)
- OpenStax Chemistry 2e (openstax.org/books/chemistry-2e): 1.2 Phases and Classification of Matter (matter, three states, plasma, mass and weight, Moon 1/6, conservation of matter, sand and clouds)
- 9.2 gas laws (Boyle's law P1V1 = P2V2, syringe 15.0 mL 13.0 psi to 7.5 mL 26 psi, breathing, divers: every 33 ft of sea water adds 1 atm and halves the air volume at 33 ft, Amontons ~1700, Gay-Lussac ~1800, Charles, STP 273.15 K and 101.325 kPa, -273 °C absolute zero)
- 9.5 kinetic-molecular theory (average kinetic energy proportional to kelvin temperature, KEavg = 3/2 RT, urms = sqrt(3RT/M), N2 at 30 °C 519 m/s, O2 at -23 °C 441 m/s)
- 10.3 phase transitions (vapor pressure, normal boiling point at 1 atm = 101.3 kPa, Leadville 68 kPa about 90 °C, ΔHvap 44.01 kJ/mol at 25 °C and 40.67 kJ/mol at 100 °C, 1.5 L sweat 3600 kJ, ΔHfus 6.01 kJ/mol, ice at -12 °C staying at 0 °C while melting, CO2 sublimation 26.1 kJ/mol, frost is deposition, heating curve example 135 g ice -15 °C to steam 120 °C = 416 kJ with c ice 2.09, water 4.18, steam 1.86 J/g °C, burner turned up does not raise boiling temperature)
- NIST Chemistry WebBook phase change data (webbook.nist.gov: ethanol Tfus 159 K, Tboil 351.5 K; nitrogen Tfus 63.3 K, Tboil 77.34 K; oxygen Tfus 54.8 K, Tboil 90.2 K; mercury Tfus 234.31 K, Tboil 629.81 K; CO2 triple point 216.58 K at 5.185 bar, solid vapour-pressure equation Giauque and Egan 1937 giving 194.7 K at 1 atm)
- USGS Water Science School, Water Density (0.99987 g/cm³ at 0 °C, 1.00000 at 4 °C, 0.95865 at 100 °C; ice about 9% less dense)
- Britannica, Boyle's law (Robert Boyle 1662, air compressed by mercury; Edme Mariotte 1676)
- Boyle's 1662 table (48 spaces at 29 2/16 in, 12 spaces at 117 9/16 in of mercury) as reprinted in J. Appl. Physiol. 87 (1999) 1543.
Abgerufen: 2026-10-17