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Blinde Kuh - Unser Sonnensystem - Wissen

Stofflehre (Chemie)
Inhaltlich überarbeitet von Bernd Binninger - Februar 2003

Die Atome (Elemente) und die Moleküle

Alle Stoffe, mit denen wir täglich umgehen, bestehen aus Atomen oder aus Verbindungen mit sich selbst oder anderen Atomen. Solche Verbindungen nennt man Moleküle. Zu den Atomen und Molekülen findest du hier einige Erläuterungen.

Da die Atome und Moleküle winzig klein sind, kleiner, viel kleiner als Bakterien und Viren, sind wir Menschen eigentlich nicht an sie gewöhnt, obwohl wir dauernd von unzähligen von ihnen umgeben und sogar selbst aus Atomen und Molekülen zusammengesetzt sind. Das liegt daran, dass man ein einzelnes Atom nicht sehen oder anfassen kann. Selbst für ein Mikroskop sind sie viel zu klein. Daher können wir uns kein wirklich passendes Bild von einem Atom machen oder es mit einem Gegenstand unseres Alltags vergleichen. Alle Gegenstände sind aus so vielen Atomen oder Molekülen zusammengesetzt, dass diese Gebilde ganz neue andere Eigenschaften hat als ein einzelnes Atom. 

Die Welt ist voll mit Atomen
        Für den Anfang reicht es aber schon, sich die Atome wie ganz kleine Kügelchen vorzustellen. Ein Beispiel hierzu: Stellen wir uns ein Gas vor wie zum Beispiel Luft. Ein Gas zeichnet sich dadurch aus, dass jedes Atome im Raum frei umherfliegt bis es auf ein anderes stößt. Sperrt man ein Gas in einen Behälter, so stoßen die Atome auch dauernd gegen die Behälterwände und prallen wie Bälle an einer Wand ab. Dieses intensive Trommelfeuer aus unzähligen Stößen übt eine Kraft auf die Behälterwand aus, die wir als Druck des Gases bezeichnen. Auch die Temperatur können wir uns mit dem Kügelchenmodell des Atoms vorstellen. Je heißer es ist, desto schneller bewegen sich die Atome im Gas. Die Temperatur hängt also direkt mit der Geschwindigkeit der Gasatome zusammen. Natürlich bewegen sich nicht alle Gasatome gleich schnell. Alle Geschwindigkeiten kommen vor, Von sehr langsam bis sehr schnell, nur eben unterschiedlich häufig. Die Temperatur ist ein Maß für die durchschnittliche Geschwindigkeit oder mittlere Geschwindigkeit der Gasatome.

Wir wollen uns mal ein Experiment ausdenken: Füllen wir eine gewisse Menge Gas in einen geschlossenen Behälter, so beobachten wir, dass sich ein bestimmter Druck und eine bestimmte Temperatur einstellen. Was passiert nun, wenn wir den geschlossenen Behälter mit dem darin befindlichen Gas verkleinern? Um den Behälter zu verkleinern, musst du mindestens eine Wand des Behälters verschieben, zum Beispiel einen Kolben wie bei einer Luftpumpe. Verkleinert du den Behälter, dann werden die Atome dichter zusammengepackt. Es stoßen also in der selben Zeit auch mehr Atome gegen die Behälterwand als vorher, der Druck steigt. Gleichzeitig hast du aber auch mit dem beweglichen Kolben die Atome, die diesen berühren, angestupst. Und die wiederum stoßen die andren Atome an bis alles in schneller Bewegung gerät. Das bedeutet: Die Gasatome fliegen durchschnittlich schneller in dem Behälter hin und her. Also steigt auch die Temperatur. Durch Verschieben des Kolbens der Luftpumpe hast du also Druck und Temperatur des Gases in der Pumpe erhöht. Dadurch kannst du deinen Fahrradreifen aufpumpen. Das kostet aber ganz schön Kraft.

Einen Raum, in dem kein einziges Atom herumschwirrt, nennt man Vakuum (Absolute Leere). Im Weltall sind die Atome in Sonnen, Planeten und Gaswolken konzentriert. Dazwischen ist ein fast leerer Raum, in dem nur vereinzelt ein Atom anzutreffen ist. Der größte Teil des Weltalls ist also ein Vakuum. Sogar ein Atom ist kein ausgefülltes Kügelchen.

Ein AtomDie Atome selbst bestehen wieder aus noch kleineren Teilchen, dem Atomkern und den Elektronen. Um den sehr kleinen Atomkern im Zentrum bewegen sich die Elektronen. Hier ist mal so ein Atom dargestellt. Es ähnelt in dieser Vorstellung einem kleinen Sonnensystem. Zwischen dem Atomkern und den Elektronen ist viel Platz. Also ist auch innerhalb des Atoms ein leerer Raum oder Vakuum.

Je nachdem wie heiß oder kalt die Stoffe, Moleküle und Gemische sind, sind sie verdampft (heiß) also gasförmig, oder sie sind flüssig wie Wasser, oder sie gefrieren, sind also fest wie Stein, Eis oder Metall. Da es auf manchen Himmelskörpern sehr heiß ist, können viele Stoffe gasförmig sein. Wenn es auf einem Himmelskörper sehr kalt ist, sind die meisten Stoffe fest. Du kennst das sicher vom Wasser her, dass als Wasserdampf (unsichtbar, zum Beispiel als Lufteuchtigkeit), als Flüssigkeit (in den Meeren, als kleine Tröpfchen in den Wolken) oder als Eisberge und Gletscher existieren kann. Alles eine Frage der Temperatur

 

 
Die Stoffe

Als Stoffe werden Materialen bezeichnet, die nur aus einer Sorte Atome oder Moleküle oder aus einem bestimmten Gemisch davon bestehen.

Wasserstoff

Wasserstoff ist das leichteste Gas, das es gibt. Es ist aber auch hoch explosiv. Das macht die Sache sehr gefährlich. So hatte man Zeppeline mit Wasserstoff gefüllt bis zum schrecklichen Unglück, bei dem der Zeppelin Hindenburg in New York explodierte. Wasserstoff eignet sich aber auch als Raketenbrennstoff. Ist die Temperatur enorm hoch, dann verbinden sich die Kerne (Kernfusion) der Wasserstoffe zu neuen Atomen und Helium entsteht. Am liebsten geht Wasserstoff Verbindungen mit Sauerstoff ein (Wasser) oder mit Kohlenstoff (Methan). Wasserstoff ist der meist verbreitetste Stoff im Weltall.

Helium

In den fliegenden Ballons ist HeliumHelium ist ein sehr leichtes Gas, leichter als Luft, aber dennoch doppelt so schwer wie Wasserstoff. Da es nicht brennbar ist, im Gegensatz zu Wasserstoff, benutzt man es z.B. für Ballons, damit die immer schön zum Himmel fliegen können. Wenn man Helium einatmet, also aus einen solchen Ballon mal einen kräftigen Zug nimmt, dann bekommt man eine Micky-Maus-Stimme. Klingt recht lustig. Helium ist nicht giftig, dennoch sollte man es nicht zu oft einatmen. Helium gehört zu den Edelgasen, d.h. es geht keine atomare Verbindung mit anderen Stoffen ein. Helium wird erst bei -270° C flüssig.

Sauerstoff

Sauerstoff ist ebenfalls ein Gas, das für uns zum Atmen sehr wichtig ist. Wenn man z.B. kaum noch Luft bekommt, dann deshalb, weil die Lungen keinen Sauerstoff mehr einatmen können. In einem geschlossenen Raum kann man den Sauerstoff schnell verbrauchen, so dass man erstickt. Auch Feuer braucht Sauerstoff. Will man Feuer ersticken, muss man dem den Sauerstoff entziehen, dies geht z.B. mit Wasser, Sand oder auch einer Decke, die größer ist als das Feuer.

Stickstoff

Stickstoff ist ebenfalls ein Gas. Allerdings brennt es nicht wie Sauerstoff und kann von Menschen und Tieren nur in Zusammenhang mit Sauerstoff eingeatmet werden. Stickstoff gibt es in Verbindung mit Sauerstoff als "Lachgas", das früher bei Zahnärzten benutzt wurde, weil es schmerzunempfindlich macht. In Verbindung mit Wasserstoff wird es Ammoniak. Daraus wird Düngemittel oder gar Brennstoff gemacht.

Ein DiamantKohlenstoff

Aus Kohlenstoff besteht allerlei. Je nachdem, wie die Kohlenstoffatome zusammengewachsen oder wie stark sie zusammengedrückt sind, gibt es Grafit (das ist z.B. in Bleistiftminen), Kohle oder sogar Diamanten. Die Diamantform von Kohlenstoff ist am seltesten. Interessanterweise sind Diamanten nicht stabil, sie zerfallen bei normalem Druck zu Grafit. Das geht aber sehr sehr langsam, so dass es sich trotzdem lohnt, sich einen schönen Diamanten zu kaufen, wenn man sehr viel Spaß daran hat. Alle Lebewesen, Menschen, Tiere und Pflanzen, enthalten Kohlenstoffatome als wesentlichen Baustoff. Auch Benzin ist ein Gemisch aus vielen Molekülen verschiedener Sorte, in denen sehr viel Kohlenstoff und Wasserstoff enthalten ist. Allgemein nennt man diese Verbindungen Kohlenwasserstoffe.

Schwefel

Schwefel ist ein brennbarer pulveriger Stoff. Er kann allerlei Farben annehmen, wenn man ihn mit etwas mischt oder erhitzt. Bei ca. +113° C Schwefelschmilzt Schwefel und wird zähflüssig. Bei ca. +445 °C verdampft Schwefel. Da sich Schwefel sehr leicht durch Reibung entzündet, wurden lange Zeit Streichhölzer (Schwefelhölzer) aus Schwefel hergestellt. Schwefel verbindet sich mit anderen Stoffen zu Sulfaten. Es kann daher auch in gasförmigen (Schwefeldämpfe), flüssigen (z.B.: Schwefelsäure) oder in festen (Gestein wie Eisensulfid) Verbindungen existieren. Schwefel befindet sich auch in der Eierschale. Wenn man zum Eier essen einen Silberlöffel benutzt, kommt es zu einer Reaktion und das Ei schmeckt ganz komisch.

Eisen

Eisen kennst du ja, das ist ein Metall. Nicht alles Metall ist gleich Eisen, z.B. Silber oder Gold. Eisen ist sehr schwer, besonders wenn es große Eisenklötze sind, z.B. Eisenbahnschienen. Eisen rostet sehr leicht, wenn Sauerstoff hinzukommt, und wird dann rötlich bis braun. Eisen lässt sich nur unter hoher Hitze (1536°C) schmelzen oder gasförmig (2750°C) machen. Damit es nicht so schnell rostet oder sich zu leicht verbiegt, wird es in Schmelzöfen mit Kohlenstoff und Nickel zu Stahl zusammengekocht.

Nickel

Nickel ist ein silberweißes, leicht biegsames Schwermetall. Da es nicht mit Sauerstoff reagiert, also nicht rostet, wird es für die Gewinnung von Stahl genutzt. Es befindet sich zusammen mit Eisen im Planetenkern der Erde.

Natrium

Natrium ist ebenfalls ein Metall, aber es ist an der Luft schnell entzündbar, so dass man deshalb kaum Natrium zu Gesicht bekommt. In Verbindung mit Chlor, das z.B. in Badeanstalten eingesetzt wird, um das Wasser vor Bakterien zu schützen, kann man Natriumchlorid herstellen. Diese Bezeichnung steht für nichts anderes als Kochsalz.

Silicium

Silicium gibt es in verschiedensten Arten. Vor allem Steine sind Verbindungen aus Silicium und anderen Stoffen, daher nennt man diese Verbindungen auch Silikate. Aus Silicium kann man auch Computerchips herstellen. Zusammen mit Sauerstoff wird aus Silicium Quarz. Mit zusätzlich ein wenig Wasser verbunden, wird ein Opal (Edelstein) daraus. Um Silicium flüssig zu kriegen, braucht man 1410 °C.

Magnesium

Magnesium ist ein silberglänzendes Metall. Wenn es verbrennt, dann entsteht ein sehr helles Licht, weshalb es z.B. für Feuerwerkskörper wie Sylvester-Raketen eingesetzt wird.

 

Die chemischen Verbindungen oder Moleküle

Verbinden sich mehrere gleiche oder verschiedene Atome, so nennt man das Moleküle. Beim Wasser zum Beispiel sind zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom miteinander verbunden. Neue nützliche Molekülverbindungen zu finden, ist von jeher die hohe Kunst der Chemie. Einfach nur locker zusammengewürfelte Atome oder Moleküle der verschiedensten Sorten nennt man Gemische. Luft ist zum Beispiel ein solches Gemisch aus Atomen und Molekülen.

Luft

Schöne saubere Luft ist ein Gemisch aus vielen verschiedenen Molekülen und Atomen. Der hauptsächliche Anteil an der Luft ist Stickstoff (78 % des Volumens). Danach kommt als Zweithäufigstes Sauerstoff (21 % des Volumens). Beide Stoffe liegen in der Luft als Moleküle vor aus jeweils zwei miteinander gebundenen Atomen Stickstoff oder eben Sauerstoff. Der kleine Rest (zusammen nur 1% des Volumens) verteilt sich auf Kohlendioxid, Edelgase und Wasser. Wasser kommt in Form von Wasserdampf (Luftfeuchtigkeit) in der Luft vor oder bei trockener Luft eben gar nicht. Bis auf die Edelgases sind alle genannten Stoffe Moleküle. Dass die Edelgase vorzugsweise keine Verbindung zu Molekülen eingehen, liegt an ihrem Atombau, der in gewisser Weise perfekt ist. Deshalb der schöne Name. Luft ist bei üblichen Temperaturen ein Gas und deshalb sicher leichter als Wasser. Eine Luftmatratze schwimmt auf dem Wasser, aber dies nur, wenn sie aufgeblasen ist. Würde man die Luft aus der Luftmatratze rauslassen, dann würde sie im Wasser untergehen.

Warme Luft steigt nach oben, kalte nach unten. Das wird z.B. bei Heißluftballons genutzt, wobei die Luft im Ballon erhitzt wird und der Ballon dadurch aufsteigt. Unsere Atmosphäre ist voll von Luft, aber je höher man in den Himmel kommt, desto weniger Sauerstoff ist in der Luft enthalten, den wir aber zum Atmen brauchen. Deshalb wird in Flugzeugen, die bis zu 11 km hoch fliegen, eine künstliche Atmosphäre hergestellt, damit die Passagiere nicht ersticken oder alle Sauerstoffmasken tragen müssen, was sehr unbequem wäre und die Urlaubsreise sicher verdirbt. Du hast vielleicht schon mal beobachtet, dass Piloten von Militärjets Sauerstoffmasken tragen. Bei diesen Flugzeugen spart man den Aufwand nur für einen oder zwei Piloten eine künstliche Atmosphäre herzustellen.

Wasser

Wasser besteht aus zwei Teilen Wasserstoff und einem Teil Sauerstoff. Es ist eine Wasser, 
        Eis und Wolken Verbindung aus diesen Atomen. Unter normalem Druck auf Meeresspiegelniveau gefriert Wasser bei 0° C, bei 100° kocht oder siedet es. Sieden bedeutet, dass der Druck des Wasserdampfes genauso groß ist, wie der Druck der umgebenden Luft. Deshalb bildet sich nicht nur an der Wasseroberfläche Wasserdampf, sondern sogar im Inneren der Flüssigkeit. Daher die vielen Blasen im Wasser, wenn es siedet. Die Blasen bestehen also nicht aus Luft, sondern aus Wasserdampf.

Über das Verdampfen will ich aber auch noch etwas mehr erzählen: Wasser wie auch andere Flüssigkeiten verdampfen nicht nur, wenn sie sieden. Du brauchst nur ein Schale mit Wasser lange stehen zu lassen, dann trocknet die Pfütze in der Schale, umso schneller, je wärmer es ist. Dabei passiert Folgendes: Die Moleküle des Wasser bewegen sich ganz unregelmäßig in alle möglichen Richtungen und mit allen möglichen Geschwindigkeiten, schnell und weniger schnell. Dies hatten wir oben auf der Seite bei der Erklärung der Temperatur in einem Gas schon mal erwähnt. Also auch in einer Flüssigkeit bedeutet eine höhere Temperatur, dass sich die Moleküle durchschnittlich schneller bewegen. Wegen diesen Gewimmels gibt es an der Wasseroberfläche deshalb immer ein paar Wassermoleküle, die so schnell sind, dass sie aus der Wasserpfütze entweichen können und durch die Luft fliegen. Viele fallen wieder ins Wasser zurück, manchen aber gelingt es, sich auf und davon zu machen. Man sagt, dass Wasser verdunstet. Ein Glück, dass es diesen Vorgang gibt, sonst könnten wir zum Beispiel unsere Wäsche nicht trocknen.

Je wärmer es ist desto mehr Wassermoleküle können für immer entweichen, die Wäsche trocknet dann schneller. Macht man das Wasser zusätzlich künstlich warm, so können sogar kleinste Wassertröpfchen aus der Wasseroberfläche ausbrechen. Das Wasser fängt an zu dampfen. Dampf besteht also aus winzigen Tröpfchen von Wasser. Bestimmt hast du schon mal den Dampf über Deinem heißen Tee oder beim Nudelkochen beobachtet. Du siehst diesen Dampf zum Beispiel auch als Wolken am Himmel. Dampf ist also kein gasförmiges Wasser sondern besteht eigentlich aus schwebenden Wassertröpfchen. Wasserdampf ist demgegenüber gasförmiges Wasser und sogar unsichtbar.

Und da fällt mir auch noch etwas ein, was mit dem Verdunsten und dem Dampfen zusammenhängt: wenn aus dem Gewimmel verschieden schneller Moleküle im Wasser sich immer gerade die davonstehlen, die besonders schnell sind, dann verbleiben vorwiegend die langsamen Wassermoleküle in der Pfütze. Die mittlere oder durchschnittliche Geschwindigkeit der Wassermoleküle in der Pfütze wird dadurch natürlich kleiner, dass Wasser ist also nicht mehr so warm. Wasser kühlt sich beim Verdunsten oder Verdampfen also ab. Das ist oft ein nützlicher Effekt. Dein Körper nutzt ihn beim Schwitzen aus, um seine Temperatur zu regeln. Wenn du dich sehr anstrengst, dann erzeugen deine Muskeln eine Menge Wärme. Damit du kein Fieber kriegst, bildet dein Körper Schweiß auf der Haut, der zu verdunsten beginnt und deine Haut angenehm kühlt.

Wasser gibt es auf der Erde in flüssiger Form in den Meeren, Seen und Flüssen und den Wolken, in fester Form in den Eisbergen, Polkappen und Gletschern und in gasförmiger Form in der Luft. Zwar besteht Wasser auch aus Sauerstoff, aber da ist der Sauerstoff fest mit Wasserstoff verbunden, und schwirrt nicht einfach im Wasser herum. Deshalb können die Landtiere und die Menschen nicht im Wasser atmen. Aber wie ist es mit den Fischen? Gerade hast du erfahren, dass Wasser verdunstet, also die Wassermoleküle über die Wasseroberfläche entfliehen. Genauso können auch ein paar Luftmoleküle in das Wasser eindringen. Man sagt dann, dass die Luft im Wasser gelöst wird. Also befindet sich auch Sauerstoff in gelöster Form im Wasser. Und diesen nutzen die Fische zum Atmen. Landtiere und Menschen haben Lungen, die diesen Sauerstoff nicht aus dem Wasser aufnehmen können. Fische und andere Tiere, die unter Wasser leben, haben speziell angepasste Lungen oder andere Organe, die in der Lage sind, den Sauerstoff auch aus dem Wasser in ausreichender Menge aufzunehmen. Dass Gase in Wasser gelöst sein können, weist du eigentlich von der Sprudelflache her. Damit Sprudel frisch und etwas sauer schmeckt, wird dem Mineralwasser Kohlensäure zugesetzt. Die Kohlensäure zerfällt zum weitaus größten Teil in Wasser und das Gas Kohlendioxid, das dann im Wasser gelöst ist. Bei hohem Druck und tiefen Temperaturen kann viel Kohlendioxid im Wasser gelöst werden. Wenn du also eine Sprudelflasche öffnest, die unter Druck steht, dann fällt der Druck und das gelöste Kohlendioxid entweicht unter Blasenbildung. Die Flasche sprudelt, weil der Druck kleiner wird. Wenn ein Glas Sprudel lange in der Sonne steht, bilden sich weitere Kohlendioxidblasen, die oft am Glas festhängen, so dass du sie bestimmt schon mal gesehen hast. Also muss die Fähigkeit des Wasser, Gas zu lösen, mit zunehmender Temperatur, die Sonne hat das Mineralwasser erwärmt, geringer werden. Damit hängt zusammen, dass es in kalten Gewässern meistens mehr Fische gibt als in warmen. Es ist dort leichter, genügend Sauerstoff zum Atmen zu finden.

Felsmaterial, Erde, Sand

Felsmaterial ist eine Mischung aus Silizium und anderen Stoffen. Es gibt es in jeder Größe, vom kleinen Staubkorn, über Sand bis hin zu riesigen Bergen. Interessant, wenn man Sand im Hochofen zum schmelzen bringt, kann man daraus Glas herstellen. Glas ist nicht fest, sondern nur extrem zähflüssig, eben nur fast fest. 100 Jahre alte Fensterscheiben enthalten kleine Blasen und man sieht darin deutlich, wie das Glas so langsam aber sicher nach unten geflossen ist. Aus Vulkanen auf der Erde kommt flüssiges Gestein in Form von Lava heraus. Felsmaterial, das Metalle enthält, nennt man Erz.

Kohlenmonoxid und Kohlendioxid

Sauerstoff verbindet sich mit Kohlenstoff. Da gibt es dann verschiedene Verbindungen. Aus zwei Teilen Kohlenstoff und einem Teil Sauerstoff entsteht Kohlendioxid. Das ist ein Gas, das wir ausatmen und die Pflanzen "einatmen". Wenn man etwas verbrennt, dann entsteht neben Kohlendioxid eine Verbindung, in dem gleich viel Sauerstoff und Kohlenstoff ist und das sehr giftig für uns ist, Kohlenmonoxid. Bei -78° C gefriert Kohlendioxid zu "Trockeneis". Trockeneis benutzt man, um Dinge lange einzufrieren.

Ozon

Sauerstoff kann sich auf atomarer Ebene auch mit sich selbst verbinden. So ergibt eine Verbindung von 3 Sauerstoffatomen das Ozon. Die Ozonschicht in unserer Atmosphäre schützt uns vor der gefährlichen Sonnenstrahlung.

Ethan

Ethan, oder Äthan, ist ein farbloses und geruchloses Gas aus einer Verbindung von Kohlenstoff und Wasserstoff. In Verbindung mit Sauerstoff wird es zu Ethanol oder, wie man auch sagt, Alkohol.

Methan

herzhaeuschen.jpg (2614 Byte)Ist ebenfalls ein Gas aus Kohlenstoff und Wasserstoff. Wenn es brennt, gibt es eine bläuliche Flamme. Es entsteht z.B. in Sümpfen aber auch beim Verdauungsprozess (Biogas) bei Menschen und Tieren. Das was man riecht, wenn einer einen fahren lässt, ist Methan. Methan ist giftig. Früher hatten die Menschen einfach Gruben gegraben und ein Herzhäuschen drauf gestellt. Wer durch die Klobrille in die Grube fiel, konnte schnell ersticken. Methan kommt auch in großen Mengen als Erdgas vor.

Der Druck

Gewicht

Gase wie auch Flüssigkeiten haben ein Gewicht. So wiegt 1 Liter Wasser auf der Erde etwa genau 1 Kilopont (kp), das passt prima in einen Luftballon rein, wenn man die allseits gefürchteten Wasserbomben bauen will. Dennoch wiegt das bereits ordentlich. In einem Eimer Wasser sind ca. 10 Liter enthalten, der ist dann schon ziemlich schwer. Nehme ich das Wasser heraus, dann wiegt der Eimer fast gar nichts? Falsch, auch die Luft darin wiegt. Da aber auch rundherum um den Eimer Luft ist, spielt das Gewicht der Luft im Eimer keine Rolle. Sie wird von der umgebenden Luft getragen. Genauso würde ein Eimer voll Wasser unter Wasser sich in etwa nur noch so schwer anfühlen, wie der leere Eimer über Wasser. Du kannst das mal mit dem Zahnputzbecher voll Wasser in der Badewanne ausprobieren. Der Becher voll Wasser fühlt sich über Wasser viel schwerer an als unter Wasser. Luft wiegt natürlich nicht viel wie Wasser, sie ist etwa 1000 mal leichter.

Atmosphäre

Schwerer als Luft ist z.B. Kohlendioxid. Und je dicker die Atmosphäre ist, desto mehr Gewicht lastet auf einem Spaziergänger auf einem solchen Planeten. Der Druck in der Atmosphäre der Venus ist 90mal so stark wie auf der Erde. Das entspricht auf der Erde einem Druck, wie er in 900 Meter Wassertiefe im Ozean angetroffen wird.

Bedeutet das, dass ein Astronaut bereits bei der Landung auf der Venus so platt wie Pfannenkuchen gedrückt würde?

Das nun gerade nicht, denn der Druck wirkt von allen Seiten und auch im Inneren des Körpers des Astronauten. Man bekommt auch keine Plattfüße, wenn man oft die Füße tief ins Wasser baumeln lässt. Der Astronaut aber könnte ohne Druckkabine nicht überleben. Die chemischen und biologischen Vorgänge in unserem Körper funktionieren bei so hohen Drücken nicht mehr so wie gewohnt. Zum Beispiel würde das Blut in der Lunge nicht mehr die passende Menge Sauerstoff aus der Atemluft, die hätte der Astronaut vorsorglich in Druckflaschen dabei, aufnehmen können. Also müsste der Astronaut in einem druckfesten Fahrzeug bleiben, wenn er die Venus erkunden wollte. Ganz ähnlich einem U-Boot, das für Tauchfahrten in große Meerestiefen auf der Erde vorgesehen ist.

Es ist interessant, dass manche Tiere solche Druckunterschiede vertragen können. Wale leben meistens an der Wasseroberfläche, sie atmen ja mit Lungen wie wir. Manche Wale können aber auch bis zu 1000 Metern tief tauchen und stundenlang die Luft anhalten. Dort unten herrscht dann ein etwa 100mal höherer Druck als an der Wasseroberfläche. Ich weiss nicht, wie er das macht. Nur ist sicher, dass wir Menschen das nicht können. Deshalb können Taucher auch nicht so ohne weiteres auf den Meeresgrund tauchen. Zumindestens beim Auftauchen müssen sie sehr vorsichtig sein und es ganz langsam machen.

Oben und Unten

Leichtere Flüssigkeiten schwimmen oben, sowie das Öl, das leichter ist als Wasser. Leichtere Gase steigen nach oben. Ein Ballon mit Helium gefüllt ist leichter als dieselbe Menge Luft, daher steigt er in den Himmel. Ist ein Gas kälter, ist es schwerer als wenn man es erwärmt.

Diese unterschiedlichen Druckzustände sorgen für das Wetter auf den Planeten. Der Druck auf die Flüssigkeiten sorgt aber auch unter der Oberfläche für vulkanische Aktivitäten. Sobald die Flüssigkeit ein Loch zum Entweichen findet, spritzt sie heraus.

Wärme durch Druck

Wenn man Luft zusammendrückt, etwa in einer Luftpumpe, dann wird sie warm. Je mehr also ein Gas zusammengedrückt wird, desto wärmer wird es.

Die Reaktionen

Zwischen den Stoffen kommt es zu allerhand Reaktionen

ErhitzenHitze und Kälte

Diese Reaktionen sind eigentlich sehr einfach zu erklären, wenn man sich die Atome als kleine Kügelchen vorstellt. Wärme und Kälte ist eine Frage der Bewegung dieser Kügelchen. Wenn sie sich äußerst heftig bewegen, dann ist der Stoff heiß und oft auch gasförmig. Wenn sie sich hingegen nur wenig bewegen, dann ist der Stoff kalt und meistens fest. Erhitzen heißt also nichts Anderes, als die Atome in Bewegung zu versetzen. Wenn sich die Atome in einem Gas schnell bewegen, stoßen sie auch oft mit anderen zusammen. So ein Stoß ist die Voraussetzung, dass eine chemische Reaktion zwischen den Atomen stattfinden kann. In warmen Gasen laufen deshalb chemische Reaktionen meistens leichter und schneller ab als in kalten Gasen, die Stöße kommen in einem warmen Gas einfach viel häufiger vor. Durch chemische Reaktionen kann Energie freigesetzt werden, typisch ist das für die chemischen Reaktionen, die in einem Feuer bei der Verbrennung vorkommen. Die Energiefreisetzung bei chemischen Reaktionen kommt alleine daher, dass die Elektronen in den beteiligten Molekülen umgeordnet werden. Nebenbei bemerkt: die Wärme, die die Sonne abstrahlt, kommt nicht durch ein gewöhnliches Feuer zustande. Das würde viel zu wenig Energie freisetzen, die Sonne wäre schon längst verlöscht. Du hast vielleicht schon mal gehört, dass in der Sonne Wasserstoffatome zu Heliumatomen verschmolzen werden. Mann nennt diesen Vorgang Kernfusion. Die Energie rührt also nicht daher, dass die Elektronenhüllen der Atome sondern die Atomkerne selbst umgeordnet werden. Außerdem ist es auf der Sonne so heiß, dass die Elektronen sich ohnehin von den Atomkernen gelöst haben und frei beweglich wie ein eigenes Gas umherschwirren.

Übrigens, wenn das kälteste Kalt der Zustand ist, bei dem sich die Atome nicht mehr bewegen können, kann es ja nicht kälter werden. Man weiß sogar, welche Temperatur das ist: -273,15 °C. Diesen Tiefpunkt an Kälte misst man auch in Kelvin (K) und dann ist es eben 0 K. Kälter kann es nirgendwo sein, auch im Weltall nicht. Tatsächlich ist es heute im Weltall überall etwas wärmer, etwa 3 K. Diese Restwärme soll noch von der Entstehung des Weltalls herrühren, der Rest an Wärme, die beim Urknall freigeworden sein soll. Da sich das Weltall immer noch ausdehnt, kühlt es sich ganz langsam immer noch weiter ab.

Ein heißestes Heiß gibt es hingegen nicht, hier besteht nach unseren heutigen Vorstellungen keine Grenze.

Explosionen

Viele feste und flüssige Stoffe werden, wenn sie chemisch reagieren nicht nur heiß sondern auch gasförmig. Ein heißes Gas braucht aber viel mehr Platz als ein fester oder flüssiger Stoff. Das kann man vorsichtig beobachten, wenn Wasser in einem Topf zum Kochen gebracht wird. Es entsteht jede Menge Wasserdampf, der schon ungefähr tausend mal weniger dicht als Wasser ist und deshalb entsprechend viel Platz braucht. Wenn man nun den Deckel dicht darauf lassen würde, so dass der Wasserdampf nicht entweichen kann, dann steigt der Druck mächtig an, bis im schlimmsten Fall einem der Topf und das Wasser um die Ohren fliegen. Es kommt zu einer Explosion. Bei einer Explosion muss also nicht unbedingt Feuer entstehen.

Manche chemische Reaktionen laufen sehr schnell ab, und setzen anders als unser Wasserexperiment, bei dem wir Wärme zuführen müssen um den Dampf zu erzeugen, auch noch eine große Menge Wärme frei. Dann kommt es bei der Ausdehnung zu einer viel stärkeren Explosion und einer sehr heftigen Druckwelle.

Verbrennt man etwas, gibt es meist eine Flamme. Das ist das sichtbare Zeichen einer chemischen Reaktion, bei der viel Wärme frei wird. Die Flamme leuchtet, weil die an der Reaktion beteiligten Stoffe sehr heiß werden. Würde man diese Flamme daran hindern sich auszubreiten, also etwas Brennbares wie Schwarzpulver fest in ein Eisenrohr einschließen, dann kommt es zu einer gewaltigen Explosion, weil die verbrannten Stoffe Platz brauchen, sehr viel Platz.

Kernfusion

Unter einer Kernfusion versteht man das Verschmelzen von zwei oder mehreren Atomen zu einem neuen Atom. Dieser Vorgang verlangt eine ungeheure Hitze und Druck wie sie z.B. auf der Sonne herrschen. Dort werden Wasserstoffatome zu Heliumatomen zusammengeschmolzen. Die Sonne wird so, wie wir sie heute kennen, noch sehr lange scheinen. Solange, wie es noch genügend Wasserstoff auf der Sonne gibt, der sich zu Helium verschmelzen lässt. Danach wird die Sonne sich etwas zusammenziehen und noch heißer, so heiß, dass auch die Heliumatome zu anderen Elementen verschmolzen werden.

 

Damals

Früher glaubte man, alle Dinge seien aus vier Elementen zusammengesetzt:Die 4 Elemente

Feuer, Wasser, Erde und Luft

Das, was alles zusammenhält, so glaubte man, sei der Geist.

Die Leute, die sich mit solchen Mischungen beschäftigten, nannte man Alchemisten, was mehr mit Zauberei und Magie zu tun haben sollte. Heute trennt man deutlich zwischen Zauberern, die aufgrund ihres Wissens Kunststücke vorführen und Chemikern, die das ganze wissenschaftlich untersuchen.

Die Griechen erkannten sehr früh, dass alles aus Atomen (kleinste "unzerteilbare" Teilchen) besteht, auch Feuer, Wasser, Erde und Luft. Es sollte aber noch lange dauern, bis man sich mit der Vorstellung von den Atomen anfreunden konnte.

Heute

Heutzutage werden auch diese Atome zerlegt (Atomphysik), in einen Atomkern, der aus Protonen und Neutronen besteht, und eine Atomhülle, die aus einem oder vielen Elektronen gebildet wird, die viel kleiner sind als die Protonen und Neutronen. Ein Atom Eine einfache, aber ganz gute Vorstellung von einem Atom ist, es sich wie ein kleines Mini-Sonnensystem vorzustellen.

Man nennt alle diese genannte Teilchen zusammenfassend Elementarteilchen. Mittlerweile hat man aber noch viele solche Teilchen entdeckt, wie z.B. die Neutrinos und wie sie noch alle heißen. So viele haben die Physiker in ihren Experimenten und Theorien identifiziert, dass der Ausdruck Elementarteilchen gar nicht mehr richtig passte und man sich überlegte, ob nicht z.B. die Protonen und Neutronen selbst wieder aus noch kleineren Teilchen zusammengesetzt sind. In einer Theorie, die heute weitgehend akzeptiert ist, werden diese Teilchen Quarks genannt.

Die Stoffe unterscheiden sich in der Anzahl ihrer Protonen. Wasserstoff hat z.B. nur ein Proton, Helium hingegen hat zwei. Nun wird sicher klar, warum aus zwei Wasserstoff-Atomen bei einer Kernfusion ein Heliumatom wird. 1+1=2.

 

 

 
Inhaltlich überarbeitet von Bernd Binninger - Februar 2003
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