Aggregatzustände und Teilchenmodell

Eis, Wasser und Wasserdampf bestehen aus genau denselben Teilchen. Was sich ändert, ist nur, wie eng die Teilchen beieinander liegen und wie stark sie sich bewegen. Im festen Zustand sitzen sie an festen Plätzen und zittern nur noch. Im flüssigen Zustand berühren sie sich weiterhin, können aber aneinander vorbeigleiten – deshalb passt sich eine Flüssigkeit der Gefäßform an. Im gasförmigen Zustand fliegen sie mit großem Abstand frei umher und füllen jeden verfügbaren Raum aus.

Wärme bedeutet im Teilchenmodell Bewegung. Je höher die Temperatur, desto schneller bewegen sich die Teilchen. Wird die Bewegung stark genug, reißen sich die Teilchen aus ihren festen Plätzen los: Der Stoff schmilzt. Wird sie noch stärker, verlassen sie den Verbund ganz: Der Stoff siedet. Kühlt man ab, läuft alles rückwärts – aus Sieden wird Kondensieren, aus Schmelzen wird Erstarren. Diese sechs Begriffe (schmelzen, erstarren, sieden oder verdampfen, kondensieren, sublimieren, resublimieren) beschreiben alle möglichen Übergänge zwischen den drei Zuständen.

Wichtig ist: Ein Stoffwechsel der Aggregatzustände ist immer ein physikalischer Vorgang. Wasser bleibt Wasser, egal ob es als Eis, Flüssigkeit oder Dampf vorliegt – die Summenformel H₂O ändert sich nicht. Das unterscheidet Schmelzen und Sieden grundlegend von einer chemischen Reaktion, bei der aus den Ausgangsstoffen etwas völlig Neues entsteht, zum Beispiel wenn Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird.

Der häufigste Fehler ist die Vorstellung, die Teilchen selbst würden beim Erhitzen größer, weicher oder heißer. Das stimmt nicht: Ein einzelnes Teilchen hat weder eine eigene Temperatur noch einen eigenen Aggregatzustand, es bleibt immer unverändert. Größer wird nur der durchschnittliche Abstand zwischen den Teilchen, deshalb dehnt sich ein Stoff beim Erwärmen meist leicht aus.

Ein zweiter Fehler ist die Annahme, beim Schmelzen oder Sieden steige die Temperatur weiter an, weil ja weiter geheizt wird. Tatsächlich bleibt die Temperatur während des gesamten Zustandswechsels konstant, solange beide Zustände gleichzeitig vorhanden sind – zum Beispiel solange noch Eisstücke im Wasser schwimmen. Erst wenn der letzte Rest des alten Zustands verschwunden ist, steigt die Temperatur wieder.

Ein dritter Fehler ist, Sieden mit Verdunsten gleichzusetzen. Sieden findet nur bei der festen Siedetemperatur statt und läuft im gesamten Volumen der Flüssigkeit ab, erkennbar an aufsteigenden Dampfblasen. Verdunsten dagegen passiert bei jeder Temperatur, aber nur an der Oberfläche der Flüssigkeit – deshalb trocknet nasse Wäsche auch bei Zimmertemperatur, ohne dass das Wasser kocht.

Im Kühlschrank bildet sich an kalten Flächen Reif, weil Wasserdampf aus der Luft direkt zu Eis wird, ohne den flüssigen Zwischenschritt – das nennt man Resublimieren. Umgekehrt kannst du bei Trockeneis (festem Kohlenstoffdioxid) beobachten, wie es direkt zu Gas wird, ohne vorher flüssig zu sein: Es sublimiert. Beide Vorgänge zeigen, dass nicht jeder Stoff bei Normaldruck zwingend durch den flüssigen Zustand gehen muss.

Auch beim Kochen begegnet dir das Teilchenmodell ständig: Ein Schnellkochtopf erhöht den Druck im Inneren, dadurch steigt auch die Siedetemperatur des Wassers auf über 100 °C, und das Essen gart schneller. In großer Höhe, etwa in den Bergen, ist es umgekehrt: Der Luftdruck ist niedriger, Wasser siedet schon bei weniger als 100 °C, und das Kochen dauert länger.