Informationsblatt 1: Aggregatzustände der Materie und Zustandsänderungen

Publikation:	31.7.2009
Herkunft:	La main à la pâte, Paris

Aus den [französischen] Lehrplänen

Lernstufe 2:

Materie

Verwendung von Thermometern bei alltäglichen Gelegenheiten. Wasser im täglichen Leben: Eis, flüssiges Wasser, Beobachtungen des Schmelz- und Gefriervorgangs, dabei die Temperatur messen.

Lernstufe 3:

Materie

Zustände und Zustandsänderungen von Wasser: Schmelzen, Gefrieren/Erstarren, Kochen, gasförmiger Zustand von Wasser, Verdampfung, Verdunstung, Kondensation, Faktoren, die die Verdampfung/Verdunstung beeinflussen.

Umwelterziehung

Der Weg und die verschiedenen Formen/Umwandlungen des Wassers in der Natur.

Erschwernisse durch den gängigen Sprachgebrauch

In der Alltagssprache:
- steht "fest" oft im Gegensatz zu weich oder zerbrechlich und nicht im Gegensatz zu flüssig und gasförmig;
- bedeutet Gas vor allem das brennbare Gas, das zum Kochen und Heizen verwendet wird;
- oft wird das Wort "schmelzen" anstelle von "sich auflösen" verwendet: Man sagt "der Zucker schmilzt im Wasser" statt "löst sich im Wasser". Dabei handelt es sich hier nicht um eine Zustandsänderung, sondern um eine Lösung (siehe auch das Informationsblatt 2: "Mischungen und Lösungen" für diesen und den vorangehenden Punkt);
- Das Wort Dampf bezeichnet auch andere Gase als den Wasserdampf [Anmerkung des Übersetzers: Im Deutschen eher der Plural Dämpfe – man spricht von Alkohol- oder Ätherdämpfen...]

Erschwernisse aufgrund von vorgefassten Meinungen der Schüler/innen

Für die Schüler/innen sind Eis, Wasser und Wasserdampf drei verschiedene Stoffe. Diese Vorstellung spiegelt die Unterschiede in der Wahrnehmung der drei Zustände wieder. Sie wird durch den üblichen Sprachgebrauch verstärkt (Wasser hat für jeden der drei Zustände einen anderen Namen), aber auch durch pädagogische Gewohnheiten, dass nämlich Wasser als Prototyp für Flüssigkeiten genommen wird, und Luft als Prototyp für Gase. Die Schüler/innen haben noch nicht ganz den Erhaltungsgedanken verinnerlicht und haben im Allgemeinen Schwierigkeiten etwas, das man nicht sieht, als vorhanden zu begreifen. Das gilt für Gase im Allgemeinen und besonders für Wasserdampf. Wenn Wasser verdampft, empfinden die jüngsten Schüler/innen das als magisch und denken einfach, dass das Wasser verschwunden ist. Die älteren meinen oft, das verdampfende Wasser verwandele sich in Luft.

Wenn das Wasser siedet, bilden sich große Dampfblasen in der Flüssigkeit, steigen zur Oberfläche auf und verschwinden. Viele Schüler/innen glauben, es handele sich um Luftblasen.

Über kochendem Wasser sieht man im Allgemeinen einen Dunst. Der besteht aus feinen Wassertropfen, die sich durch Kondensation von Wasserdampf in der kühlen Luft über dem Topf bilden. Die Schüler/innen sprechen oft von "Rauch", obwohl Rauch eigentlich aus kleinen, festen Teilchen besteht, die es hier nicht gibt. Sie sprechen auch von "Dampf", obwohl Wasserdampf ein unsichtbares Gas ist.

Ein paar Klippen, an denen Beobachtung und Experiment scheitern könnten

Wenn man Wasser in einem Topf erhitzt, beobachtet man, bevor es zum Kochen kommt, die Bildung kleiner Luftblasen (die von anfangs im Wasser gelöster Luft herrühren), die aus dem Wasser aufsteigen. Erst wenn man weiter erhitzt, sieht man die dicken Blasen von Wasserdampf, die anzeigen, dass das Wasser kocht.

Wenn man die Schmelz- und Erstarrungstemperatur von reinem Wasser bestimmen will, benötigt man eine gute Mischung aus Wasser und Eis. Wenn zu wenig Eis da ist, kommt es nicht zur Gleichgewichtstemperatur, wenn das Eis nicht zerkleinert ist (wenn man zum Beispiel Eiswürfel verwendet), besteht die Gefahr einer inhomogenen Temperaturverteilung im Gefäß.

Wenn man die Siedetemperatur von Wasser in der Schule bestimmt, findet man selten 100 °C heraus. Die Siedetemperatur hängt von gelösten Stoffen ab (das Wasser aus der Leitung ist nicht rein) und vom Luftdruck, der insbesondere von der Höhe über dem Meeresspiegel abhängt. In gebirgigen Gegenden siedet das Wasser bei Temperaturen unter 100° C. Die gewöhnlichen Thermometer in der Schule sind meist solche, die man völlig eintauchen muss. Das ist selten möglich, wenn man die Siedetemperatur von Wasser bestimmen will. Das Thermometer zeigt daher grundsätzlich eine um ein paar Grad abweichende Temperatur an (das spielt grundsätzlich keine Rolle, wenn man sich an die vom [französischen A.d.Ü] Lehrplan vorgesehene Aufgabe hält, die nur zeigen soll, dass die Wassertemperatur während des Siedens von reinem Wasser sich nicht ändert).

Wenn man die Masseerhaltung beim Schmelzprozess von Eis demonstrieren will, muss man den Beschlag aus der umgebenden Luft auf den Außenwänden des Gefäßes abwischen. Wenn man das nicht tut, gerät eine Tafelwaage rasch aus dem Gleichgewicht.

Kenntnisse

- Eis, flüssiges Wasser und Wasserdampf sind drei physikalische Zustände des Wassers. Am Beispiel von Wasser demonstriert man die Eigenschaften der drei klassischen Aggregatzustände von Materie: Festkörper haben eine Form; Flüssigkeiten fließen oder nehmen im Ruhezustand die Form der Gefäße an, in denen sie enthalten sind; ihre freie Oberfläche ist dann waagerecht. Wie Flüssigkeiten fließen auch Gase und nehmen die Form ihrer Rezipienten an, aber im Gegensatz zu Flüssigkeiten füllen sie immer das ganze Volumen des Rezipienten aus.

- Wasser gefriert (oder bleibt fest), wenn die Temperatur unter 0 °C sinkt, und umgekehrt schmilzt Eis (oder bleibt Wasser flüssig), wenn die Temperatur über 0 °C liegt. Eine innige Mischung von Eis und Wasser hat eine Temperatur von 0 °C. Beim Übergang von einem Zustand zum anderen bleibt die Masse erhalten.

- Unter normalen Bedingungen kocht Wasser bei einer Temperatur von ca. 100 °C. Dieser Wert hängt weder von der Intensität der Wärmequelle noch von der Dauer des Erhitzens ab. Das Sieden ist daran zu erkennen, dass sich im ganzen Flüssigkeitsvolumen (Wasserdampf-)Blasen bilden. Dann bleibt auch die Temperatur unverändert.
Der Wasserdampf in der uns umgebenden Luft, also Wasser im gasförmigen Zustand, ist mit unseren Sinnen nicht wahrzunehmen.

- Der Übergang vom flüssigen zum gasförmigen Zustand kann nur an der Oberfläche der Flüssigkeit stattfinden: Man nennt diesen Vorgang Verdunstung. Das Verdunsten geht langsamer von statten als das Verdampfen und erfolgt auch bei Temperaturen unter 100 °C. Beim Verdunsten verschwindet das Wasser genauso wenig wie beim Verdampfen. Es geht in Wasserdampf über, der sich mit der umgebenden Luft mischt.
Wenn der Wasserdampf kondensiert, wird das Wasser sichtbar, aber es war auch vor der Kondensation in Form von unsichtbarem Dampf in der Luft vorhanden.

Mehr zum Thema

- Die Untersuchung von Wasser führt zu der Unterscheidung von drei – und nur drei – Zuständen: fest, flüssig, gasförmig.
- Sand fließt, aber die entstehende freie Oberfläche ist nicht notwendigerweise waagerecht; es handelt sich also nicht um eine Flüssigkeit.
- Wolken bestehen aus Wasserdampf, aus feinen Tröpfchen flüssigen Wassers und/oder aus kleinen Eiskristallen.
- Die Konstanz der Temperatur während des gesamten Schmelz- oder Verdampfungsprozesses (der waagrechte Verlauf der Temperaturkurve) ist eine allgemeine Eigenschaft der Zustandsänderung reiner Stoffe.

Die weiter oben beschriebene Einteilung in feste, flüssige und gasförmige Stoffe und deren charakteristische Eigenschaften gelten nur für reine Stoffe: Schokolade, zum Beispiel, kann fest oder flüssig (geschmolzen) sein, aber es handelt sich dabei nicht um eine Änderung ihres Aggregatzustandes, denn Schokolade ist kein reiner Stoff sondern ein Stoffgemisch (insbesondere vollzieht sich der Übergang nicht bei konstanter Temperatur). Es gibt aber auch Stoffe, die nicht nach diesen Kategorien eingeteilt werden können (zum Beispiel Stoffe, die, wenn man sie erhitzt, eine chemische Veränderung erfahren, bevor sie ihren Aggregatzustand ändern). Um den Zustand gewisser Stoffe zu beschreiben, braucht man eine genauere Klassifizierung (glasartig, kristallin, gelöst, flüssigkristallin, Plasma...)

Man müsste weitere Beispiele anführen, um die Verallgemeinerung auf alle Stoffe zu illustrieren. Die Mehrzahl der Materialien, die Kindern unter zwölf Jahren geläufig sind, sind keine reinen Stoffe, so dass es gerechtfertigt erscheint, diese Verallgemeinerung erst in der Sekundarstufe zu behandeln. Damit bleibt die Feststellung, dass (fast) jeder Stoff in drei Zuständen existiert, auf der Ebene der Grundschule eine eher dogmatische Verallgemeinerung, was aber nicht heißt, dass man sie nicht erwähnen sollte.

- In der Schule ist der Übergang von einem physikalischen Zustand in einen anderen mit dem Begriff der Temperatur verbunden. Einen Übergang gibt es aber auch, wenn man einen Stoff komprimiert oder ausdehnt (eine Eigenschaft, die man sich bei Kühlschränken zu Nutzen macht, wobei der Wechsel vom flüssigen in den gasförmigen Zustand mit einer Wärmeaufnahme verbunden ist).
Die Schmelz-/Erstarrungstemperatur von reinem Wasser ist kaum druckabhängig und daher auch praktisch unabhängig von der Höhe über dem Meeresspiegel. Im Gegensatz dazu schmilzt Salzwasser (also kein reines Wasser) weder bei 0 °C noch bei gleich bleibender Temperatur. Man streut im Winter Salz auf die Straßen, weil das Salzwasser auch bei Temperaturen unter 0 °C flüssig bleibt.
Die Siedetemperatur von Wasser hängt vom Druck, also auch von der Höhe ab. Das Garen von Nahrungsmitteln kann daher im Gebirge wesentlich länger dauern.

- Salzwasser siedet unter normalem atmosphärischem Druck nicht bei 100 °C und die Siedetemperatur ist nicht konstant. Das Wasser (nur das Wasser) geht in Dampf über. Die Salzlösung wird konzentrierter und wenn alles Wasser verdampft ist, bleibt das Salz übrig.

- Bei einer Zustandsänderung ändert sich die Masse nicht, dagegen ändert sich im Allgemeinen das Volumen. Wenn Wasser gefriert, nimmt unter normalen Bedingungen das Volumen zu und es treten beträchtliche Kräfte auf (daher im Französischen der Ausdruck "Es friert zum Steine spalten"). Wasser unterscheidet sich mit dieser Eigenschaft von anderen Stoffen, deren Volumen sich verringert.

Einsatz der Kenntnisse in anderen Zusammenhängen, verwandte Begriffe

Die Eigenschaften von Materie und insbesondere von Wasser spielen bei vielen Erscheinungen eine Rolle. Hier wäre zum Beispiel der meteorologische Wasserkreislauf zu erwähnen und die Evapotranspiration (Verdunstung/Transpiration) lebender Organismen.

Eisberge (nicht zu verwechseln mit dem arktischen Meereis) bestehen aus reinem Wasser (kein Salzwasser), daher kommen sie als Trinkwasserquelle in Betracht. Aber auch die Gewinnung von Süßwasser aus dem Salzwasser der Meere bereitet theoretisch und technisch keinerlei Schwierigkeiten und ist ein häufig angewandtes Verfahren in Ländern, die über ein geringes Trinkwasservorkommen aber reiche Energiequellen verfügen (die arabische Halbinsel). Das einzige Problem, das sich stellt, ist die wirtschaftliche Rentabilität.