Arbeitsblatt: Aggregatszustände/Anomalie des Wassers

PHYSIK Warum ändert Wasser seinen Zustand? Lernziele Ich kenne die Aggregatszustände und kann sie mit dem Teilchenmodell zeichnerisch darstellen und mit Worten erklären Ich kenne die Begriffe, die beschreiben, wie ein Zustand von einem Aggregatszustand in einen anderen wechselt und kann diese richtig zuordnen. Ich kenne die Schmelz und Siedepunkte von Wasser. Ich kann über die Anomalie des Wassers Auskunft geben und mit einem Versuch erklären. Zum Thema Die Zustandsformen von Wasser Stoffe können fest, flüssig oder gasförmig sein. Viele Stoffe kann man durch Erhitzen oder Abkühlen in die drei Zustandsformen (Aggregatzustände) überführen. Ein alltägliches Beispiel ist das Wasser. Oberhalb des „absoluten Nullpunktes (–273,16 einer ständigen Bewegung. Im sind die Teilchen regelmäßig angeordnet (1) und können nur um ihre Ruhelage schwingen. Gegenseitigekräfte halten die Teilchen zusammen. Mit Temperatur nimmt die Bewegung der Teilchen , bis die Anordnung des festen Zustandes aufgehoben wird. Dies geschieht beim Eis beiC; die Schmelztemperatur ist erreicht. Die Beweglichkeit der Teilchen ist jetzt so groß, dass sie sich der Gefäßform anpassen. Der Stoff ist nun (2). Schuljahr 18/19 A. Vogel PHYSIK Mit noch weiter steigender Temperatur bewegen sich die Teilchen immer, bis sie schließlich bei Erreichen dertemperatur von in den gasförmigen Zustand übergehen. Die gegenseitigen Anziehungskräfte sind kaum noch wirksam, die Teilchen können sich frei bewegen (3). Mit abnehmender Temperatur verlieren die Teilchen anenergie. Es erfolgt eine Umkehrung der Vorgänge bei der Kondensationstemperatur von bzw. der Erstarrungstemperatur von . Aus Eis kann auch direkt (unsichtbarer) Wasserdampf werden. Diesen Vorgang nennt man. Eisblumen an Fenstern entstehen dadurch, dass (Luftfeuchtigkeit) direkt zu festem Eis wird. Diesen Vorgang nennt man. Auch die Bildung von Raureif kommt durch zu Stande. Die Anomalie des Wassers Warum schwimmen riesige Eisberge eigentlich auf dem Wasser? Sind sie nicht schwerer als Wasser und müssten untergehen? Die Lösung liegt in einem physikalischen Phänomen begründet: in der Anomalie des Wassers. Wasser hat eine ganz besondere Eigenschaft, die keine andere Flüssigkeit hat: Kühlt man Wasser ab, verringert es zunächst sein Volumen. Bei 4 Grad Celsius (C) ist das Volumen des Wassers am kleinsten und damit die Dichte der Teilchen am größten. Jetzt kommt der spannende Punkt: Wenn das Wasser dann unter 4 C abgekühlt wird, dehnt es sich wieder aus. Die Dichte wird wieder geringer und damit wird es leichter. Deshalb ist Eis mit seiner geringeren Dichte leichter als Wasser und schwimmt auf der Oberfläche. Schuljahr 18/19 A. Vogel PHYSIK Gleichzeitig vergrößert sich dadurch das Volumen des Wassers beim Gefrieren. Diese besondere Eigenschaft des Wassers weist kaum ein anderer Stoff auf. Schuljahr 18/19 A. Vogel PHYSIK Folgen der Ausdehnung im Alltag Daher darf man keine mit Wasser gefüllte Glasflasche unbeaufsichtigt längere Zeit in die Gefriertruhe legen – durch die Ausdehnung des Wassers wird die Flasche irgendwann regelrecht gesprengt. Diese Sprengwirkung wirkt sich im Alltag noch an manch anderer Stelle aus: So verhindert Frostschutzmittel, dass das Wasser im Kühler eines Autos friert und diesen zum Platzen bringt. Auch Wasserleitungen, in denen bei Minusgraden Wasser steht, können platzen. Diese Sprengwirkung lässt sich aber auch positiv nutzen: Durch gefrorenes Wasser im Ackerboden wird dieser auch „gesprengt und damit aufgelockert, was den Landwirten bei der Bearbeitung hilft. Bedeutung in der Natur Für die Natur hat die Anomalie des Wassers eine besondere Bedeutung. Am Beispiel eines Sees lässt sich das gut erkennen. Wer im Sommer in einem See badet, wird feststellen, dass das Wasser in den unteren Schichten des Sees kälter ist als in den oberen Schichten. Das liegt daran,dass die oberste Wasserschicht stärker erwärmt wird und das damit leichtere Wasser oben im See gesammelt wird. Der Wind durchmischt nur noch diese obere Schicht. Das kühlere und damit schwerere Wasser sammelt sich unten. Es findet in diesem unteren Bereich keine Zirkulation mehr statt. Es kommt zu einer Stagnation. Als Resultat bilden sich unterschiedliche Wasserschichten im See. Im Winter dagegen sinken die Temperaturen und die Anomalie des Wassers kommt zum Tragen. Im See sammelt sich dann das Wasser mit einer Temperatur von unter 4 C oben – das Wasser mit der Temperatur von 4 C oder mehr dagegen sinkt in die unteren Schichten. Auf dem Grund des Sees ist es also wärmer als an der Oberfläche, ganz oben ist es am kältesten. Der See friert von oben nach unten zu. In den unteren, flüssigen Schichten können Fische und andere Tiere überleben. Übrigens: Um optimal für die schwierige Winterzeit vorbereitet zu sein, können Fische ihren Stoffwechsel verlangsamen. Sie leben dann auf Sparflamme und können so trotz Kälte und wenig Sauerstoff überleben. Antwort Schuljahr 18/19 A. Vogel PHYSIK Schuljahr 18/19 A. Vogel PHYSIK Versuch: Unterwasservulkan Material: kleine Glasflasche, heisses Wasser, Lebensmittelfarbe, grosses Gefäss, kaltes Wasser Ablauf: heisses Wasser in kleine Flasche füllen, einfärben, ins Gefäss mit kaltem Wasser legen, beobachten Skizze: Beobachtung Das warme Wasser steigt wolkenartig im kalten Wasser nach oben. Erklärung: Warmes Wasser hat eine geringere Dichte (grösseres Volumen) als kaltes Wasser und ist deshalb ‚leichter als kaltes Wasser. Erklärung: Die Wassermoleküle in heißem Wasser bewegen sich sehr, sehr schnell. Weil sie sich so schnell bewegen, sie springen hin und her, nehmen sie mehr Platz ein als kaltes Wasser. Deshalb steigt das heiße Wasser schnell nach oben. Im kalten Wasser springen die Moleküle nicht hin und her, sondern halten eng zusammen. Weil sich die Moleküle von warmem und kaltem Wasser so unterschiedlich verhalten, vermischen sie sich zunächst nicht, sondern das heiße Wasser schwimmt auf dem kalten Wasser. Schuljahr 18/19 A. Vogel