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Lesestoff zur Vorlesung „Weich wie ein Diamant“

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Kinderuniversität Bern 2005
Lesestoff zur Vorlesung „Weich wie ein Diamant“
Stimmt das? Die gleiche Materie ist am Fingerring mal ganz hart und im Bleistift mal ganz weich. Dann
gibt's eine die kann fliegen, vor Sonnenbrand schützen und die Salami weiss machen.
urs.pedrazza@iap.unibe.ch
Kurzfassung
Wir machen uns ganz klein, flitzen zwischen Atomen umher und stürzen uns so in ein spannendes
Abenteuer: wir entdecken, weshalb Kohlenstoff als Diamant so hart ist, aber als Graphit in der
Bleistiftmine so weich. Wir untersuchen die Eigenschaften eines Werkstoffes am Beispiel Titan,
beobachten das scheinbar „abnormale“ Verhalten von Wasser genauer und erkunden das Speisesalz.
Und zu guter Letzt haben wir anhand dieser Beispiel sehr viel gelernt: wir kennen uns nicht nur mit den
verschiedenen Aggregatszuständen von Materie aus (fest, flüssig, gasförmig, Plasma), sondern sind auch
noch oft Albert Einstein begegnet.
Anmerkung:
In diesen Notizen sind z.T. mehr Informationen enthalten, als in der kurzen Zeit in der Vorlesung
zu vermitteln möglich gewesen wäre. Umgekehrt steht hier nicht alles drin, was in der Vorlesung
behandel wurde. Diese Unterlagen sollen denn auch etwas dazu dienen, das Gehörte zu repetieren
und zu vertiefen, sowie eine kurzweilige Lektüre sein, z.B. für einen verregneten freien
Nachmittag oder ebensolchen Sonntag.
Damit diese Datei nicht zu gross wird, sind die Bilder der Vorlesung hier nicht noch einmal
eingefügt. Falls nötig wird deshalb auf die Folien der Vorlesung verwiesen, die getrennt von der
Kinderuni-Homepage heruntergeladen werden können.
2
Inhaltsverzeichnis:
1. Kohlenstoff: Hart wie Diamant und weich wie eine Bleistiftmine, Seite 4
2. Titan: Unter extremsten Belastungen im Flugzeug, dann auch noch in der Sonnencrème, auf
der Salami oder als Hüftgelenk, Seite 8
3. Wasser: Tanzt aus der Reihe und schützt so nicht nur Frösche und Fische, Seite 11
4. Das Salz in der Suppe, Seite 13
5. Zusammenfassende Repetition: Die verschiedenen Aggregatszustände der Materie, und schon
wieder treffen wir auf Albert Einstein! Seite 14
Literatur- und Quellenverzeichnis... ...gibt’s nicht, siehe dazu
Vorlesungsunterlagen sowie die Bücherliste der Kinderuni.
die letzte
Folie der
3
1. Kohlenstoff
Hart wie Diamant und weich wie eine Bleistiftmine
Mit dem Diamantring von Mami könnte man jedes Material im Haushalt zerkratzen. „Könnte“ weil
wir das auf keinen Fall mit dem wertvollen Ring von Mami tun dürfen – unersetzlich sind die
Erinnerungen, die mit ihm verbunden sind, zu wertvoll ist der Schmuck und zu gross die lauernden
Gefahren, z.B. jene, dass die Einfassung bricht.
Aber: es ginge!
Diamant ist reiner Kohlenstoff, sein chemisches Symbol ist „C“, der Name stammt aus dem – wie
könnte es auch anders sein – Lateinischen „carbo“, was „Kohle“ bedeutet. Und genau diese Kohle, die
wir nach dem Servelat-Bräteln aus der erkalteten Asche nehmen, ist ja alles andere als hart! Eher
könnte man sie mit der Bleistiftmine vergleichen: das Papier wird ja beschrieben, nicht zerrissen! Die
Kohle aus der Feuerstelle können wir ja auch in der Hand zerreiben … … und dann die Hände
wiederum an der Hose abwischen…
Und schon wieder wäre Mami zu Recht unzufrieden mit uns!
Und deshalb ganz schnell zurück zur Physik! Wir machen uns ganz klein und schleichen uns in den
Diamant. Da sehen wir die einzelnen Kohlenstoffatome. Von jedem Kohlenstoffatom greifen 4 Arme
Richtung 4 verschiedener Nachbaratome, drei etwas nach unten, einer ganz nach oben (Bild in den
Vorlesungsfolien). Und weil das eben jedes Atom macht, also auch die Nachbaratome, fassen sich am
Schluss alle Atome bei den Händen, jedes mit vier verschiedenen Nachbarn. Geometrisch gesprochen
sind sie „tetraedrisch“ verbunden: „tetra“ heisst – diesesmal auf griechisch - vier, „hedra“ heisst (auch
auf griechisch) Fläche: eine Pyramide in deren Mitte ein Kohlenstoffatom sitzt (Bild 1) 1.
1
Das „Tetrapack“ – Markenname für die Verpackung von z.B. Milch, sollte doch die Zahl 4 als bestimmende Eigenschaft
haben, also z.B. 4 Ecken oder 4 Flächen oder 4 Kanten. Keines ist aber der Fall, ausser wenn man von oben oder seitlich
auf die Verpackung sieht, also den so genannten Grundriss oder den Seitenriss betrachtet. Erst im Grund- oder Seitenriss
taucht die Zahl 4 auf, weil beide ein Viereck bilden. Das „Tetrapack“ hat 6 Flächen (also ein Hexaeder) beziehungsweise 8
Ecken wie ein Würfel. Das „Tetra...“ kommt daher, weil man umgangssprachlich sagt, die Milchpackung sei viereckig.
4
Bild 1
Tetraeder-„Schachtel“; im Zentrum sitzt – versteckt durch die Seiten – ein
Kohlenstoffatom, an jeder Ecke sitzt ein Nachbar, also ein anderes Kohlenstoffatom
Für ein vorher ungebundenes Kohlenstoffatom bedeutet diese Anordnung einen viel besserer Zustand.
Weil es beim „Handschlag“ Energie an die gemeinsamen Bindungen mit den Nachbarn abgeben kann,
ist sein Zustand nachher energieärmer als vorher. Und genauso wie der Fussball, den wir unter grossen
Anstrengungen (Energieaufwand) auf einen Berg hinauf tragen, und welcher dann unter
Energieverlust sofort und alleine den Berg hinuntergerollt ist, genau so befindet sich dadurch jedes
einzelne Kohlenstoff in einem energetisch tieferen und deshalb besseren Zustand. Wer es nicht glaubt,
der nehme einen Fussball!
Jetzt flitzen wir aus dem Diamanten raus und rein in ein Stückchen Graphit: auch da sehen wir viele
kleine Kohlenstoffatome, die miteinander verbunden sind. Jedoch ist die Art der Bindung eine andere,
wie wir sehen (Bild aus der Vorlesung). Die Arme strecken sich nicht mehr nach unten und nach oben,
wie das ja beim Diamant der Fall war (da reckten ja drei etwas nach unten und einer ganz nach oben),
sondern alle Arme suchen in der gleichen Ebene, auf dem gleichen Stock sozusagen nach den
Nachbarn. Und: es sind nur noch drei richtige Arme! Weil Kohlenstoff aber sozusagen immer
vierarmig ist, wo bleibt denn der vierte Arm? Der hat sich losgelöst und schwirrt mit den freien
„Armen“ der übrigen Atome in der Struktur umher, als freies Elektronengas. Denn an den Bindungen
sind in der Materie ja keine Arme oder Hände, sondern Elektronen beteiligt. Dieses Elektronengas ist
nur relativ schwach an den Bindungen beteiligt. Fazit: Graphit mit seinen drei Bindungen für jedes
Atom und dem Elektronengas hält viel schwächer zusammen als Diamant mit seinen vier Bindungen,
die darüber hinaus auch noch ungewöhnlich stark sind.
Was ist die Folge davon? Das wollen wir überprüfen ohne dass die Eltern danach wieder zu Recht
unzufrieden mit uns sind… Und deshalb lassen wir Mamis Diamantring in der Schatulle sowie Papis
Werkzeuge ebenfalls da, wo sie sind. Stattdessen greifen wir auf die Experimente des Herrn Friedrich
Mohs (geboren im Jahre 1773, gestorben 1839) zurück. Mohs stellte eine Skala für die Härte der
Stoffe zusammen. Das tat er, in dem er viele verschiedene Mineralien nahm und ausprobierte, welche
Probe die andere Probe ritzte, also härter war. So definierte er die 1812 die Mohssche Härteskala,
beginnend mit dem Mineral Talk als weichstem Vertreter (1 Punkt), und endend mit Diamant als dem
5
härtesten Vertreter, der also von nichts anderem zerkratzt werden kann. Dem Diamant gab er nun 10
Punkte, was aber nicht heisst, dass Diamant nur 10 mal so hart ist als Talk. Denn die Skala ist eine
relative Einteilung2.
Nach diesem kleinen Exkurs über die Arbeiten des Herrn Mohs sofort zurück zum Kohlenstoff! Wo
liegt denn nun der auf der Mohsschen Skala? Das folgende Resultat muss man sich auf der Zunge
zergehen lassen:
Diamant: Spitzenplatz (10 Punkte)3
Graphit: Letzter Platz (1 Punkt)
Wen wundert’s da noch wenn man erfährt, dass Graphit sogar als Schmiermittel verwendet wird, z.B.
für Autotürschlösser! Und genau diese Tatsache wollen wir als Nächstes genauer unter die Lupe
nehmen. Statt die Lupe zu nehmen machen wir uns wieder ganz klein und schlüpfen erneut in den
Graphit. Wir sehen wieder, dass die drei Bindungspartner eines jeden Kohlenstoffatoms in einer Ebene
sind. Übereinander liegende Ebenen (Bild in den Vorlesungsunterlagen) sind nicht durch die
Bindungen miteinander verbunden, denen wir bis jetzt schon begegnet sind. Die Kräfte, die die
Ebenen übereinander halten sind ganz klein und sind auch nach ihrem Entdecker benannt. Es sind die
Van-der-Waals-Kräfte. Wie entstehen die? Weil Atome ja aus einem Kern mit positiv geladenen
Teilchen, den Protonen, und ungeladenen Neutronen sowie einer Elektronenhülle mit
umherschwirrenden negativ geladenen Teilchen, den Elektronen bestehen (Bild), gibt es immer
irgendwo im Atom und auch in Molekülen (das sind also miteinander verbundene Atome, siehe Bild),
Zonen wo die Ladung nicht genau ausgeglichen ist. Verschiedene solcher Zonen können sich nun
beinflussen und dadurch eben diese Van-der-Waals-Kräfte ausbilden.
Jetzt wissen wir, wie Graphit „zusammengehalten“ wird – Dank den Arbeiten des Herrn Van-derWaal. Dabei fällt jetzt auf (Bild siehe Folien aus der Vorlesung), dass die Bindungen nicht in allen
Richtungen gleich stark sind. Deshalb sind auch die Eigenschaften des Graphit nicht in allen
Richtungen gleich, sondern anisotrop (von griechisch anisos = ungleich und tropos = Richtung). Wenn
Graphit entlang seinen Schichtebenen belastet wird, verschieben sich diese gegeneinander. Und damit
haben wir nicht nur den Effekt des Schmiermittels erklärt, sondern auch weshalb Graphit das Papier
beschreibt und nicht zerreist, denn auch dabei gleiten die Schichtebenen gegeneinander ab. Auch die
Strom- und Wärmeleitungsfähigkeiten sind anisotrop. Entlang der Schichtebenen sind sie viel höher,
weil da die vierte, aufgeteilte Bindung, die ja nicht fest an einen Nachbarn gebunden ist, sozusagen als
transportierendes Elektronengas wirken kann. Senkrecht zu den Ebenen sind aber keine solchen
Transporteure verfügbar, denn es wird ihnen der Weg versperrt von den Schichten, und deshalb ist
Graphit in dieser Richtung nahezu ein elektrischer Isolator.
2
Die Mohssche, relative Skala ist wie folgt definiert (die folgenden Namen sind Bezeichnungen für
Mineralien): 1 Talk, 2 Gips (Steinsalz, Fingernagel), 3 Calcit (Kupfer), 4 Fluorit (Eisen), 5 Apatit (Cobalt),
6 Orthoklas (Rhodium, Silicium, Wolfram), 7 Quarz, 8 Topas (Chrom, gehärteter Stahl), 9 Korund
(Saphir), 10 Diamant.
Diese Skala sei an einem Beispiel erklärt: Das Mineral Topas kann den Quarz zerkratzen, nicht aber den
Saphir. Dafür zerkratzt Saphir den Topas und alle tiefer liegenden Minerale, nur nicht Diamant, der ja einen
Platz über ihm liegt. Es ist aber nicht so, dass Quarz 7 mal härter als Talk ist, und Diamant 10 mal härter als
Talk. Diamant ist einfach härter als Talk, und deshalb über ihm. Und Diamant ist eben auch härter als alle
anderen, und deshalb über ihnen allen…
3
Als Ergänzung zu den obigen Anmerkungen sei hier noch erwähnt, dass ja die obere Grenze der relativen
Skala gerade durch Diamant definiert ist!
6
Diamant hat ja vier feste Bindungen und ist deshalb ein isotroper (isos = gleich…) Isolator von Strom
und Wärme. Natürlicher Diamant ist übrigens ca. 150 km tief im Erdmantel entstanden, und heute
kann man Diamanten auch technisch herstellen, bei Drücken von 6 Giga-Pascal [GPa], das sind 60'000
bar, und Temperaturen von 1400-1450 °C. Von den natürlichen Graphitvorkommen werden jährlich
etwa 500'000 Tonnen abgebaut, daneben wird Graphit aber auch auf verschiedene Arten synthetisch
hergestellt, wegen grossem industriellem Bedarf, z.B. bei der Erzeugung von Metallen, in der
Elektroindustrie, als Schmiermittel, in der Raumfahrt und natürlich für die Bleistiftmine.
So, das waren unsere Überlegungen zu Diamant und Graphit, beide im Aggregatzustand ‚fest’, aber als
verschiedene so genannte Modifikationen von Kohlenstoff, also verschiedene Kirstallstrukturen.
7
2. Titan und Titandioxid
Im Flugzeug, im Weltraum, unter dem Meer, auf der Wand und auf der Salami.
Im und auf dem menschlichen Körper.
Auch Titandioxid TiO2, also die Verbindung von Titan Ti mit Sauerstoff O, hat verschiedene
Modifikationen, auf die wir ausser ihrem Namen (Brookit, Anatas, Rutil) nicht weiter eingehen
wollen. Uns interessieren hier viel mehr die Eigenschaften von Titan und seiner Schutzschicht
Titandioxid.
Schutzschicht? Wie viele Metalle ist Titan eigentlich recht reaktionsfreudig und bildet deshalb durch
Reaktion mit Sauerstoff sofort eine Oxidschicht. Im Unterschied zum Eisen, dessen Oxidschicht, also
Rost leider keine Schutzwirkung hat, schützt die Oxidschicht des Titans das darunter liegende Metall,
weil es sehr gut auf ihm hält und stabil ist. Dieselbe schützende Funktion übt auch das Oxid des
Aluminiums aus – ohne die keine dünne Alufolie... Zurück zum Titan, denn dies hat einen Vorteil
gegenüber anderen Werkstoffen, das es speziell auszeichnet: Titan und Titandioxid sind
physiologisch4 völlig unbedenklich, d.h. ungiftig. Der Reihe nach wollen wir nun die verschiedenen
Verwendungen von Titan bzw. Titandioxid untersuchen: Luftfahrt, Weltraum, Untersee, Farben,
Salamiüberzug, Implantate, Sonnenschutzmittel. Und noch etwas sei vorweg genommen: in diesem
Kapitel über Titan bleiben wir wieder nur beim festen Aggregatzustand.
Luftfahrt
Auf Reiseflughöhe eines Verkehrsflugzeuges, also in rund 10 km Höhe, beträgt die Temperatur -60
Grad Celsius (°C). Im Triebwerk wird die kalte Luft angesogen und im Kompressor (anderer Name
auch = Verdichter) verdichtet (Bild 2), dabei wird die Luft auf rund 500 °C erwärmt. Diesen Effekt
kennen wir von der Velopumpe.
Bild 2
Kompressor / Verdichter eines modernen Triebwerkes
4
Physiologie: (griech.: physis = Natur). Wissenschaft von den natürlichen Lebensvorgängen der
Organismen.
8
Nebenbei: auch die Hülle des Flugzeuges wird erwärmt: durch Reibung bei den hohen
Geschwindigkeiten, mit rund 1000 km/h etwas unter der Schallgeschwindigkeit, wird die Aussenhülle
um rund 30 °C, also auf -30 °C erwärmt. Das ist auch gut so, denn wären die Flügel kälter, nämlich 50 °C, würde der Treibstoff in den Tanks darin gefrieren! Deshalb müssen Flugzeuge manchmal,
wenn die Luft noch kühler ist, tiefer fliegen, in Höhen wo die Luft etwas wärmer ist und auch dichter,
also die Reibung wieder höher.
Zurück zum Titan: in die verdichtete Luft wird Kerosin gespritzt und verbrannt, der Rückstoss treibt
dabei einerseits das Flugzeug nach vorne, andererseits wird vorher die Turbine (Bild 3) angetrieben,
die wiederum über die lange Welle den Kompressor antreibt.
Bild 3
Turbine eines modernen Triebwerkes
Damit wissen wir nun, wie ein Triebwerk funktioniert, aber was spielt Titan dabei für eine Rolle?
Weil das Triebwerk hohe Anforderungen an die Werkstoffe stellt – heisse Gase und hohe Drücke
sowie hohe Fliehkräft durch die schnelle Kreisbewegung – stellt das an die Materialien gewaltige
Anforderungen.
Werden dem Titan verschiedene Metalle z.B. Aluminium, Vanadium, Molybdän, Nickel, oder Eisen
und Mangan zugesetzt, so dass Titanlegierungen entstehen, dann haben diese tolle Eingeschaften: Sie
sind hoch Korrosionsbeständigkeit und haben eine hohe Festigkeit bei kleinem Gewicht. Und genau
das will man, um gute Triebwerke zu bauen...
Weltraum
Ein Liter Titanlegierung wiegt rund 5 kg, ein Liter Stahl aber rund 8 kg. In Flugzeugen und
Raumschiffen, z.B. im Space Shuttle oder in der Weltraumstation ISS werden für besonders
beanspruchte Teile, die trotzdem leicht sein müssen, Titanlegierungen verwendet. Das eingesparte
Gewicht steht dann der Nutzlast, z.B. einem Wettersatelliten zu Verfügung.
9
Untersee
Auch die Dichte, also der Bruch Masse/Volumen, des Unterseebootes darf nicht beliebig hoch sein,
sonst versinkt es im Meer wie ein Stein. Deshalb, und weil Titan von chloridhaltigem Wasser
(Kochsalz ist Natriumchlorid und kommt auch im Meer vor) nicht angegriffen wird, wird Titan auch
für den Bau von U-Booten verwendet.
Farben
Weil Titandioxid einen hohen Brechungsindex aufweist, also der Lichtstrahl beim Eintritt in ein
Titandioxid-Kriställchen stark gebrochen wird – wir kennen das vom Stock ins Wasser halten – und
das Licht auch in hohem Masse zurückgesendet wird, erscheint fein gemahlenes Titandioxid strahlend
weiss. Es wird deshalb universell in Farben verwendet.
Salamiüberzug
Das weisse Pulver auf der Salamihaut ist nichts weiteres als… …Titandioxid. Die Gründe, weshalb
Titan in seiner Verbindung mit Sauerstoff auch hier verwendet wird, sind:
• Die Stabilität von Titandioxid, d.h es reagiert nicht mit anderen Stoffen, also auch nicht mit
den Bestandteilen der Salami
• Es ist völlig ungiftig
• Es hat eine gute Deckkraft, d.h. seine weisse Farbe ist gut sichtbar
Implantate
Wir haben schon in der Einleitung zu diesem Kapitel gesehen, dass Titan eine ausserordentlich
effektive Schutzschicht ausbildet, das Titandioxid TiO2. Weil letzteres darüber hinaus physiologisch
völlig unbedenklich ist, kann man es mit ruhigem Gewissen in Form von Knochennägeln und -platten,
Hüftgelenken und Schrauben im Körper belassen. Nicht nur dass Titan bzw. Titandioxid völlig
ungiftig ist; die Oberfläche des passivierten Titans, also seine ganz dünne Schutzschicht aus TiO2, regt
das umgebende biologische Gewebe auch nicht zu Verwachsungen und Wucherungen an.
Sonnenschutzmittel
Ein Sonnenschutzmittel sollte die sonnenbranderzeugenden Strahlungsanteile (UV-B-Strahlung)
zurückzuhalten und die hautbräunenden Lichtwellen (UV-A-Strahlen) unverändert passieren lassen.
Meist sind das organische Moleküle5 die jedoch den Nachteil haben können, dass Sensibilisierung
gegenüber Sonnenlicht eintritt oder Allergien auftreten. Wenn man nun aber Titandioxid fein mahlt,
dann gibt das winzige Partikel die das Sonnenlicht wie kleine Spiegel streuen und reflektieren, also
nicht auf die Haut durchlassen.
Nachdem wir also gesehen haben, dass wir uns am Strand, frisch eingecrèmt mit Sonnenschutzmittel
etwas wie ein fliegendes Hüftgelenk aus Salami fühlen könnten, erfahren wir im nächsten Kapitel
mehr über den speziellen Stoff Wasser.
5
Organische Chemie: Verbindungen des Kohlenstoffs mit Ausnahme von Kohlenmonoxid, Kohlendioxid
und einigen weiteren Molekülen. Umfangreichstes Teilgebiet der Chemie.
10
3. Wasser
Elixier des Lebens.
Wenn man ein Stück Titan schmilzt – das geschieht bei normalem Luftdruck bei 1610±10°C, dann
geschieht das unter Volumenzunahme, d.h. ein Kilo flüssiges Titan benötigt mehr Platz als ein Kilo
festes Titan. Um den Schmelzpunkt herum, wo die beidem Aggregatszustände nebeneinander
existieren können, da würde also ein Stück festes Titan im flüssigen Titan absinken. Weil ja seine
Dichte höher ist als diese des flüssigen Titans6. Wäre das aber beim Wasser auch so, dann würden
nicht nur die Eisberge sinken – worüber wohl die Schiffkapitäne nicht unglücklich wären – sondern
auch das Eis auf dem Weiher, dem Biotop oder dem See. Und darüber wären alle sehr traurig, auch die
Schiffkapitäne, denn das bedeutete den Tod, z.B. von Fischen und Fröschen im Gewässer.
Der Grund für dieses atypische Verhalten von Wasser– alle anderen Stoffe wie eben Titan sinken ab –
sind die Wasserstoffbrücken.
Brücken?
Wassermoleküle wechselwirken miteinander über Wasserstoffbrückenbindungen (Bild 4) und besitzen
dadurch ausgeprägte zwischenmolekulare Anziehungskräfte.
Bild 4
Wasserstoffbrückenbindungen
6
Die Dichte ist ja der Quotient, d.h. der Bruch von Masse/Volumen (in Einheiten z.B. Kilogramm pro
Liter,[kg/l] - Einheiten schreibt man immer in eckigen Klammern). Die Dichte von festem Titan ist bei 900
°C 4.35 [kg/l] und nimmt stetig zu bis zum Schmelzpunkt.
11
Die Wasserstoffbrücken sind keine beständige, feste Verkettung. Der Verbund der über
Wasserstoffbrückenbindungen unbeständig verketteten Wassermoleküle besteht nur Bruchteile von
Sekunden. Danach lösen sich die einzelnen Wassermoleküle wieder aus dem Verbund und verketten
sich erneut für eine kurze Zeit mit einem anderen Wasserteilchen. Dieser Vorgang wiederholt sich
ständig. Deshalb braucht Eis etwa 9 % mehr Platz als Wasser bei 0 Grad Celsius. Denn die Verkettung
der Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen braucht mehr Platz im festen Zustand als
wenn die Molküle beweglich sind. Im beweglichen Zustand – wenn Wasser also flüssig ist – sind nur
einzelne Atome für eine kleine Zeit so verkettet. Im festen Zustand aber wirken die nun dauerhaften
Wasserstoffbrücken in der Kristallstruktur wie kleine Distanzhalter.
12
4. Das Salz in der Suppe
Ohne es wär vieles fade, zuviel davon ist zuviel des Guten!
Das weisse Salz in Mamis Küche ist ein kristalliner Festkörper. Unser Kochsalz ist Steinsalz,
chemisch ist es Natriumchlorid. Die Struktur von Steinsalz ist in Bild 5 gezeigt. Man sieht dort
auch die Oktaeder, in denen die Ionen angeordnet sind. Was sind Ionen? Ionen entstehen, wenn
verschiedene Atome unter bestimmten Umständen Elektronen austauschen. Trifft ein Natriumatom
auf ein Chloratom, so reagieren diese heftig miteinander unter Bildung von Natriumchlorid. Das
Chloratom erhält dabei vom Natriumatom ein Elektron übertragen. Deshalb ist der
Wirkungsbereich des Chlorions in Bild 5b) auch viel grösser, denn es hat ja ein Elektron mehr, das
in der Atomhülle umherkreist. Weil das Natriumatom danach positiv geladen ist, sagt man ihm
auch Kation, und dem negativ geladenen Chloratom sagt man Anion. Als Eselsbrücke kann man
sich das so merken: Im „A“ des Anions ist ja ein kleiner Strich „-„ diesen Strich kann man sich als
Minuszeichen vorstellen. Im „K“ des Wortes Kation kann man den Punkt, wo sich alle vier Striche
des Buchstabens treffen, mit etwas Phantasie als „+“-Zeichen vorstellen. Oder aber man kann sich
das „t“ im Wort Kation als „+“ merken.... ...Eselsbrücken sind wirklich gut!
Und weil die Beiden nun entgegengesetzt geladen sind, ziehen sie sich an und bilden so ein
Kristallgitter. Wenn das Salz in der Suppe, also im Wasser ist, dann bedeutet das dass die
Wassermoleküle die Ionen aus dem Gitterverband gelöst haben. Dann sind die Ionen frei
beweglich im Wasser gelöst.
Bild 5
Struktur von Kochsalz (Natriumchlorid) a) mit eingezeichneten Oktaedern7, b) mit den
Wirkungsbereichen der Natriumionen (schwarz) und der Chlorionen (grau). Der Kantenlänge des
Bildes 5b) ist winzig klein, kleiner als ein Milliardstel eines Meters...
7
Oktaeder = Achtflächner (griech.: octa = vier, hedra = Fläche)
13
5. Zusammenfassende Repetition
Und schon wieder treffen wir auf Albert Einstein!
Bereits im Altertum unterschied man zwischen dem festen, dem flüssigen und dem gasförmigen
Zustand der Materie und brachte diese mit den drei „Elementen“ Erde, Wasser u. Luft in Beziehung.
Im festen Aggregatzustand besitzt die Materie den höchsten Ordnungsgrad. Die meisten Festkörper
haben kristalline Struktur, d.h. eine bestimmte Grundstruktur (Gitter) wiederholt sich in
regelmässigem Abstand. Die gleiche Substanz kann verschiedene Kristallstrukturen bilden (z.B.
Kohlenstoff als Graphit oder Diamant). Durch sehr schnelles Abkühlen einer Schmelze kann man
amorphe Struktur erreichen, die auch als gefrorene Flüssigkeit oder Schmelze bezeichnet wird (Glas).
Im festen Aggregatszustand besitzt der Körper eine feste äussere Form. Die Atome und Moleküle sind
auf Grund der höheren Wärmebewegung als Flüssigkeit nicht mehr an feste Plätze gebunden, sondern
leicht gegeneinander verschiebbar. Die anziehenden Kräfte zwischen den Partikeln sind noch so stark,
dass die Substanz ein begrenztes Volumen einnimmt und sich eine Oberfläche ausbildet. Im
gasförmigen Aggregatzustand liegt keine räumliche Ordnung mehr vor. Die Eigenschaften der
Substanz sind allein durch die Wärmebewegung gegeben. Das ist die Brownsche Molekularbewegung.
Entdeckt, wie könnte es anders sein, von einem Herrn Brown. Aber erklärt von… ...wie könnte es
anders sein – Albert Einstein. Das werden wir gleich noch genauer ansehen (weiter unten). Gase
füllen den ihnen zur Verfügung stehenden Raum gleichmässig aus. Das haben wir in der Vorlesung
untersucht, und da findest Du auch das Modell dazu als Bild. Welchen Aggregatzustand ein Stoff
einnimmt ist von seiner Art, der Temperatur und dem Druck abhängig.
Neben den drei klassischen Aggregatzuständen gibt es noch Weitere. Die treten nur unter extremen
Bedingungen auf. Sie sind im Folgenden nach der Temperatur sortiert, von niedrigen zu hohen
Temperaturen hin:
• Das Bose-Einstein-Kondensat: Hierbei handelt es sich um eine Menge extrem kalter Atome, die
ununterscheidbar werden, sich somit vollkommen einheitlich verhalten. Quasi ein Atomhaufen, der
sich wie ein riesiges Atom verhält. Eine Gruppe von Gardesoldaten, die im Gleichschritt marschieren.
• Superfluid: Ist in gewissem Sinne noch flüssiger als flüssig. Es gibt keinerlei innere Reibung mehr,
das heisst Strömungen oder Wellen hören nicht mehr im Laufe der Zeit auf.
• Atomgas: In ihm existieren keine Moleküle mehr, da die ständigen gegenseitigen Stösse die
Bindungen zerstören. Allerdings sind die Elektronen noch fest gebunden.
• Der Plasmazustand: Er tritt in Sonnen oder in Fusionsreaktoren auf. Bei sehr hohen Temperaturen
werden die Atome in Atomkern und Atomhülle zerlegt, freie Elektronen entstehen. Auch die
Kerzenflamme wird z.B. als Plasma bezeichnet.
• Das Vakuum wird manchmal als Aggregatzustand bezeichnet.
Zu beachten ist, dass Plasma und Vakuum keine eigentlichen Aggregatzustände sind. Grund dafür ist,
dass es keine Phasenübergänge8 gibt, die diese Zustände abgrenzen.
Und jetzt zur versprochenen Erklärung zur Brownschen Molekularbewegung!
8
Ein Phasenübergang ist z.B. das Schmelzen. Dabei wird die feste Phase in eine flüssige Phase überführt.
Auch z.B. das Verdampfen, das Verfestigen oder das Sublimieren sind ja dann Phasenübergänge.
14
Und das Schlusswort sei wiederum dem Schweizer Albert Einstein gegeben…
Als Brownsche Molekularbewegung wird die vom schottischen Botaniker Robert Brown9 im Jahr
1827 wiederentdeckte, thermisch getriebene Eigenbewegung der Moleküle bezeichnet.
Wiederentdeckt weil wenig bekannt ist, dass bereits 1785 Jan Ingenhousz die Bewegung von
Holzkohlestaub auf Alkohol beschrieb. Unter dem Mikroskop beobachtete er, der Herr Brown, wie
Pollen in einem Wassertropfen unregelmässig zuckende Bewegungen machten.
Die Erklärung dafür liefern die Moleküle des Wassertropfens, die permanent von allen Seiten gegen
die grösseren, sichtbaren Pollenteilchen stossen, wie Albert Einstein im Jahr 1905 in Bern zeigte.
9
Ist ein englischer Name, heisst ins Deutsche übersetzt Braun, also wie die Farbe, und etwa so spricht man
es auch aus.
15
Aggregatzustände
Aggregatzustände
Vorsicht - Sicherheit
OHNE EURE ELTERN NIE, WIRKLICH GAR NIE:
Feuer machen
“Zeuseln”
“experimentieren”, z.B.
Gas oder Strom anschalten,
Kochherd anschalten usw...
…sagte schon Mani Matter
→Repetition des Gelernten mit Euren Eltern!
Aggregatzustände
Die 3 (oder mehr) Aggregatszustände
Festkörper (kristallin – amorph)
Flüssigkeit
Gas
Plasma
Bose-Einstein Kondensat
Aggregatzustände
Atome…
Der kleinste chemisch nicht mehr unterscheidbare Baustein
der Materie
Nur scheinbar hat ein Ding eine Farbe, nur scheinbar ist es
süß oder bitter; in Wirklichkeit gibt es nur Atome und den
leeren Raum. – Demokrit (griechischer Gelehrter 5. Jh. v.
Chr.)
Kern mit Elektronenhülle
1 Million Atome für eine Haardicke
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h a – 19
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Be Be
in
Aggregatzustände
Festkörper: Kristalle
Materie Kohlenstoff – C (lat.: carbo = Kohle)
Diamant
härtestes irdisches Material
Karat (von griechisch: keration = Hörnchen =
Samen des Johannisbrotbaums).
Im Edelsteinhandel versteht man unter dem Karat
(abgekürzt ct oder Kt) 0,2 Gramm.
Graphit (Grafit)
ganz weiches Material, am Ende der
Ritz-Härteskala des Herrn Mohs
Aggregatzustände
Gleicher Stoff – verschiedene Formen
Graphit
Diamant
Chemische Bindungen
Graphit und Diamant haben beide ein Kristallgitter
Aggregatzustände
Festkörper: Amorph
Glas (Fensterglas, Autoscheiben, Flaschenglas)
Die Atome und Ionen sind regellos angeordnet
Es gibt also keine Kristallgitter, keine Ordnung
Die Bausteine hatten keine Gelegenheit, sich in Gittern
anzuordnen
Eingefrorene, unterkühlte Flüssigkeit bzw. Schmelze
Aggregatzustände
Flüssigkeit
Wir erwärmen einen Kristall durch Zufuhr von Energie (Wärme)
→ Die Kristallbausteine erhalten mehr und mehr Energie
→ Diese Energie lässt die Kristallbausteine stärker bewegen
→ Die starke Bewegung zerstört das Gitter
…die Bausteine sind frei und füllen
das Gefäss wie Kugeln aus…
Bausteine? Atome, Ionen und… …Moleküle
Bausteine des Wassers = Moleküle
Aggregatzustände
Gas
Wie Wasser besteht Bienenwachs aus Molekülen, aber aus viel
grösseren
Die Flamme schmilzt das Wachs
Der Docht saugt das Wachs hinauf
Oben ist der Docht so heiss, dass das Wachs verdampft
…Hokuspokus Zauberkerze…
Die Hitze zerbricht die Moleküle und die Flamme verbrennt die
Bruchstücke. Das gelbe Leuchten kommt vom heissen Russ
Im kochenden Wasser „brodelt“
verdampftes Wasser in Form von
Gasblasen
Aggregatzustände
Plasma
Flammen können Gase in den Plasmenzustand bringen
Flammen sind auch Plasma
Plasma besteht aus freien Elektronen
und Atomrümpfen
99 % der Materie im Weltall ist Plasma
pro Sekunde:
700 Mio t Wasserstoff
→ 695 Mio t Helium
+ 400 Quadrillionen Watt
(eine 1 mit 24 Nullen)
Aggregatzustände
Einstein’s Kühlschrank – Minibar-Patent
sublimieren
Wir bereiten uns vor…
Änderung der
Temperatur
=
Änderung der
Energie
schmelzen
erstarren
Eselsbrücke: Eis als
Frostschutz auf den
Kirschen
re-sublimieren
Wasser:
Helium:
Wolfram:
Schmelzen
Sieden
0 °C
-272 °C
3407 °C
100 °C
-269 °C
5555 °C
Aggregatzustände
Einstein’s Kühlschrank – Minibar-Patent
keine mechanische Pumpe, sondern Hitze als Motor
Wasser verdampft und strömt durch die Röhren
wenig später kühlt es etwas ab, wird flüssig
dadurch entsteht ein Unterdruck
wegen Unterdruck: Butan verdampft
Gase kühlen beim Verdampfen ab
→ (Kisag-Bombe)
Der restliche „Trick“ dabei ist, das Butan vom
Wasser zu trennen, zu verflüssigen und in den
Speicherbehälter zurück zu transportieren
Aggregatzustände
Bose-Einstein Kondensat
1924 von Bose und Einstein vorhergesagt
1995 experimentell bestätigt → Nobelpreis
extrem tiefe Temperaturen nötig (Laserkühlung)
"Atom-Trupp im Gleichschritt"
Alle Atome bewegen sich in die gleiche Richtung
Alle Atome haben die gleiche Geschwindigkeit
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Die Atome bilden eine Art "Atomklumpen"
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Nur spezielle Atome sind dazu fähig (Bosonen)
Aggregatzustände
Lust auf mehr !
•Wieso schwimmt festes Wasser (=Eis) auf flüssigem
Wasser - denn bei allen anderen Materialien ist das
nicht so
?
•Was bedeutet E=mc2
(Bern 1905)
Viele spannende Berufe
von A bis Z
inkl.
ApothekerIn – Zahnarzt/ärztin
Tierarzt/ärztin
JournalistIn
PhysikerIn
und und und … … …
...für Euch = unsere Zukunft...
…bis im nächsten Jahr !
Aggregatzustände
Quellen- und
Literaturverzeichnis
Römpp Chemie Lexikon – CD Version 1.0, Stuttgart/New York:
Georg Thieme Verlag 1995
Bild zur Folie amorph von http://www.a-m.de/deutsch/lexikon/glasbild1.htm gespeichert am 2005-08-22; Info zu Copyright siehe da
Diverse Infos und Bilder von Wikipedia auf Basis GNU FDL
Einstein-Bild von www.bhm.ch Website des historischen Museum
Bern
Broschüre "Fusionsforschung" der Europäischen Komission
Aggregatzustände
Vielen Dank…
Dietrich Feist, Peter Blattnig, IAP Uni Bern
Sandra Rutz-Scarpellini, Winterthur
Andreas Gertsch, Studi Uni Bern
Apotheke E. Hafner Bahnhofstr. 55 Postfach 713 2501 Biel/Bienne
Kinderuni-Organisationsteam der Uni Bern
... und alle die indirekt mitgeholfen haben!
Aggregatzustände
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Seele and Geist
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