Chemie-Lexikon/Dichte: Unterschied zwischen den Versionen

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==Worum geht es hier==
==Worum geht es hier==


Wenn etwas im Wasser untergeht sagt man gerne ''"das war zu schwer"''. Aber, was ist mit ganzen Baumstämmen? Sind die leicht, weil sie nicht untergehen? Nein, das kann es nicht sein, denn sicher ist ein großer Baumstamm nicht gerade leicht. Und dann geht ja selbst der leichteste Stein im Wasser unter.
Wenn etwas im Wasser untergeht sagt man gerne ''"das war zu schwer"''. Aber, was ist mit ganzen Baumstämmen? Sind die leicht, weil sie nicht untergehen? Nein, das kann es nicht sein, denn sicher ist ein großer Baumstamm nicht gerade leicht. Und dann geht ja selbst der leichteste Stein im Wasser unter.
<center>[[File:Floss.jpg|245px]] [[File:Aberdesach MMB 06.jpg|300px]]</center>
 
<gallery heights="220px" mode="packed" style="text-align:center">
Datei:Floss.jpg|Große Holzstücke schwimmen ...
Datei:Aberdesach MMB 06.jpg|... aber selbst die kleinesten Steinchen gehen unter.
</gallery>
 
Also, damit es ist ganz klar, dass das Gewicht nicht die Eigenschaft sein kann, weswegen etwas schwimmt oder eben untergeht.  
Also, damit es ist ganz klar, dass das Gewicht nicht die Eigenschaft sein kann, weswegen etwas schwimmt oder eben untergeht.  


'''Woran liegt es also?'''
'''Woran liegt es also?'''


Zunächst einmal sollte man, damit man zwei Stoffe wirklich vergleichen kann, die gleiche Menge davon nehmen. Denn es ist klar, dass wenn man ein große Portion von einem Stoff hat, diese Portion natürlich auch schwerer ist als eine kleinere. Betrachten wir also kleine Würfelchen mit der Seitenlänge von 1 cm, die damit alle das gleiche Volumen von 1cm³ haben. Wiegt man diese Würfel, so stellt man fest, dass die Würfel aus verschiedenen Materialien alle unterschiedlichen Massen haben.
Zunächst einmal sollte man, damit man zwei Stoffe wirklich vergleichen kann, die gleiche Menge davon nehmen. Denn es ist klar, dass wenn man ein große Portion von einem Stoff hat, diese Portion natürlich auch schwerer ist als eine kleinere.  
 
Betrachten wir also kleine Würfelchen mit der Seitenlänge von 1 cm, die damit alle das gleiche Volumen von 1cm³ haben. Wiegt man diese Würfel, so stellt man fest, dass die Würfel aus verschiedenen Materialien alle unterschiedlichen Massen haben.


<center>
<div class="grid">
<div class="width-1-2">
{| class="wikitable"
{| class="wikitable"
|-
|-
! Stoff !! Masse von 1 cm³
!Stoff!!Masse von 1 cm³
|-
|Eisen||7,874 g/cm³
|-
|Aluminium||2,6989 g/cm³
|-
|-
| Eisen || ???
|Blei||11,342 g/cm³
|-
|-
| Aluminium || ???
|Holz <br> <small>''(je nach Holzart)''</small>||z.B. zwischen 0,47 g/cm³ (Fichte) und 0,69 g/cm³ (Esche)
|-
|-
| Holz || ???
|Kunststoff <br> ''(z.B.Poylethylen)''||zwischen 0,915 g/cm³ und 0,97 g/cm³
|-
|-
| usw. || ...
|usw.||...
|}
|}
</div>
<div class="width-1-2">
[[Datei:Kräfte am eingetauchten Körper.jpg]]
''Hier kommt ein Foto hin!''
</div>
</div>


</center>
So zeigt sich deutlich, dass 1 cm³ von Holz wesentlich leichter sind, als etwa 1 cm³ Eisen. Die gleiche Menge an Holz ist also leichter als die entsprechende Menge an Eisen.
 
So zeigt sich deutlich, dass 1 cm³ von Holz wesentlich leichter sind, als etwa 1 cm³ Eisen. Die gleiche Menge Holz ist also leichter als Eisen.


Da man von einem Stoff nicht immer ein 1 cm³-Würfelchen zur Hand hat, müsste man die Masse eines Stoffes mit seinem Volumen vergleichen. Berechnet man den Quotienten aus Masse und Volumen, so erhält man eine Zahl die man als '''DICHTE''' bezeichnet.
Da man von einem Stoff nicht immer ein 1 cm³-Würfelchen zur Hand hat, müsste man die Masse eines Stoffes mit seinem Volumen vergleichen. Berechnet man den Quotienten aus Masse und Volumen, so erhält man eine Zahl die man als '''DICHTE''' bezeichnet.


{{Kurzregel|<math>Dichte = \frac{Masse}{Volumen}</math> oder mit Symbolen <math>\rho =\frac{m}{V}</math>. '''Einheit der Dichte:''' <math>\frac{g}{cm^3}</math>}}
{{Box|MERKE Difinition der Dichte|2=
:::Bei dem "komischen Buchstaben <math>\rho</math>, der fast wie ein "p" aussieht, handelt es sich um einen griechischen Buchstaben, wie ihr sie auch von der Winkelbenennung kennt. Hier ist es das kleine "rho" ''(lies: roh)''.
<math>Dichte = \frac{Masse}{Volumen}</math> oder mit Symbolen <math>\rho =\frac{m}{V}</math>.  


Die DICHTE ist ein Stoffeigenschaft, mit der sich viele Stoffe unterscheiden lassen. Damit man nicht immer selber die Dichte berechnen muss, gibt es die Werte von ganz vielen Stoffen in Datensammlungen, in denen du nachschlagen kannst.
'''Einheit der Dichte:''' <math>\frac{g}{cm^3}</math> bei Feststoffen und Flüssigkeiten oder <math>\frac{g}{l}</math> bei gasförmigen Stoffen |3=Merksatz}}
In der Wikipedia findest du zu jeden Stoff, der dort aufgeführt ist, immer auch die Dichte, da es eine wichtige Eigenschaft ist. Einen Überblick liefern die Tabellen hier:
* [http://de.wikibooks.org/wiki/Tabellensammlung_Chemie/_Dichte_fester_Stoffe Dichte fester Stoffe]
* [http://de.wikibooks.org/wiki/Tabellensammlung_Chemie/_Dichte_fl%C3%BCssiger_Stoffe Dichte flüssiger Stoffe]
* [http://de.wikibooks.org/wiki/Tabellensammlung_Chemie/_Dichte_gasf%C3%B6rmiger_Stoffe Dichte gasförmiger Stoffe]


Die Dichte eines Stoffes kann schon helfen, einen Stoff zu identifizieren, daher sollte man auch wissen, wie man die Dichte bei verschiedenen Stoffen bestimmen kann.
:Bei dem "komischen Buchstaben <math>\rho</math>, der fast wie ein "p" aussieht, handelt es sich um einen griechischen Buchstaben, wie ihr sie auch von der Winkelbenennung kennt. Hier ist es das kleine "rho" ''(lies: roh)''.


== Praktische Bestimmung von Dichten ==
Die '''DICHTE''' ''(oder auch spezifisches Gewicht)'' ist eine Stoffeigenschaft, die für viele reine Stoffe genau bestimmt werden kann. Daher kann man die Dichte auch nutzen, um einen Stoff zu identifizieren. Damit man nicht immer selber die Dichte berechnen muss, gibt es die Werte von ganz vielen Stoffen in Datensammlungen, in denen du nachschlagen kannst.
Nicht immer sind Stoffe in praktischen Würfeln oder Quadern gegeben. Bei solchen Würfeln könnte man einfach die Kantenlänge messen und das Volumen daraus berechnen.
In der Wikipedia findest du zu fast jedem Stoff, der dort aufgeführt ist, immer auch die Dichte, da es eine wichtige Stoffeigenschaft ist. Schul-Bücher enthalten meist eine Liste der Elemente mit Eigenschaften, in denen meist auch die Dichten angegeben sind. Einen Überblick liefern die Tabellen hier:
{{Kurzregel|<u>Zur Erinnerung:</u>
* Volumen eines Würfels mit der Seitenlänge a: <math>V = a^3</math>
* Volumen eines Quaders mit den Seitenlängen a, b, c: <math>V = a \cdot b \cdot c</math>}}


''Was aber bei unregelmäßigen Körpern machen, wie etwa einem Stein. Hier kann man das Volumen mit einem Lineal nur schätzen. Oder wie bestimme ich die Dichte von Flüssigkeiten? Denn auch wenn ich aus einer Flüssigkeit kein Würfel herstellen kann, so kann ich den Wert <math>\frac{m}{V}</math> und damit die Dichte berechnen. Und wie sieht es bei Gasen aus?''
*[http://de.wikibooks.org/wiki/Tabellensammlung_Chemie/_Dichte_fester_Stoffe Dichte fester Stoffe] - [http://de.wikibooks.org/wiki/Tabellensammlung_Chemie/_Dichte_fl%C3%BCssiger_Stoffe Dichte flüssiger Stoffe] -  [http://de.wikibooks.org/wiki/Tabellensammlung_Chemie/_Dichte_gasf%C3%B6rmiger_Stoffe Dichte gasförmiger Stoffe]


Für jeden Aggregatzustand gibt es spezielle Verfahren, wie man die Dichte bestimmen kann.
Die Dichte eines Stoffes kann schon helfen, einen Stoff zu identifizieren, daher sollte man auch wissen, wie man die Dichte bei verschiedenen Stoffen bestimmen kann.


=== Bestimmung der Dichte von Feststoffen mit unregelmäßiger Form ===
==Praktische Bestimmung von Dichten==
Für die Bestimmung der Dichte eines unbekannten Stoffes muss man eine Portion des reinen Stoffes haben und von dieser Portion das Volumen und sein Gewicht bestimmen. Je nachdem, in welchem Aggregatzustand der Stoff vorliegt, führt das zu unterschiedlichen Problemen bei der Bestimmung der beiden Werte.


Zum einen, die Bestimmung des Volumens: Nicht immer sind Stoffe in praktischen Würfeln oder Quadern gegeben. Bei solchen Würfeln könnte man einfach die Kantenlänge messen und das Volumen daraus berechnen.
{{Box|ZUR ERINNERUNG: Volumen von Würfeln und Quader|2=
* Volumen eines Würfels mit der Seitenlänge a: <math>V = a^3</math>
* Volumen eines Quaders mit den Seitenlängen a, b, c: <math>V = a \cdot b \cdot c</math>|3=Hervorhebung1}}


{|
Was aber bei unregelmäßigen Körpern machen, wie etwa einem Stein? Hier kann man das Volumen mit einem Lineal nur grob schätzen. Auch bei Flüssigkeiten ist die Volumen-Bestimmung mit Hilfe eines Quaders unpraktikabel, wobei man da ja Messzylinder hat, mit denen man das Volumen einer Flüssigkeitsportion bestimmen kann. Bei Gasen geht das dann aber auch wieder nicht, denn ein Gas muss rundherum eingeschlossen sein, weil es sich sonst verflüchtigt.
|-
| [[Datei:Waage unregelmaeßigem Koerper.svg|100px]] ||
Nehmen wir einmal an, wir vollen von einem Stein die Dichte bestimmen. Für die Berechnung der Dichte brauchen wir von einer bestimmten Portion das Volumen und die Massen. Die Portion hier, ist dieser Stein.


Die Bestimmung der Masse ist einfach: Wir wiegen einfach den Stein.
Diese Überlegungen zeigen die "Probleme", die es nötig machen, für jeden Aggregatzustand ein spezielles Verfahren zu nutzen, mit denen man das Volumen und die Masse von einer Stoffportion bestimmen kann, um dann die Dichte zu berechnen.


|-
*[[Chemie/Sammlung_von_Experimenten/Dichtebestimmung_bei_Feststoffen|Experiment und Aufgaben zur Dichtebestimmung bei Feststoffen]]
|<br />
*[[Chemie/Sammlung_von_Experimenten/Dichtebestimmung_bei_Flüssigkeiten|Experiment und Aufgaben zur Dichtebestimmung bei Flüssigkeiten]]
|-
*[[Chemie/Sammlung_von_Experimenten/Dichtebestimmung_bei_Gasen|Experiment und Aufgaben zur Dichtebestimmung bei Gasen]]
| <center>[[Datei:Breiter Messzylinder mit blauer Fluessigkeit.svg|50px]]</center> || Das das Volumen des Steins nicht durch Längenmessungen bestimmt werden kann, müssen wir ein anderen Weg wählen. Wir nutzen dazu die Verdrängungsmethode. Dazu geben wir in einen Messzylinder Wasser und bestimmen die Menge an Wasser, also das Volumen.
|-
|<br />
|-
| <center>[[Datei:Breiter Messzylinder mit blauer Fluessigkeit und unregelmaessigem Koerper.svg|50px]]</center> || Nachdem wir den Stein in das Wasser im Messzylinder gegeben haben bestimmen wir erneut das Volumen, denn der Stein hat Wasser verdrängt und damit ist der Wasserspiegel gestiegen. Aus dem Unterschied der beiden gemessenen Volumina kann man das Volumen des Steines messen.


: ''Übrigens: Natürlich muss man bei der Auswahl des Messzylinders darauf achten, dass der Stein reinpasst!''
==Aufgaben und Berechnungen mit der Dichte==
|}
Die Dichte ist nicht nur ein Wert, denn man bestimmt, um einen Stoff zu identifizieren. Auch bei bekannter Dichte, gibt es da zahlreiche Anwendungen, wo mit Hilfe der Dichte etwas berechnet werden kann. Hier ein paar schnelle Beispiele:


{{AufgabeNr|XX|[[Datei:ARBEITSBLATT Dichte Bestimmung bei Feststoffen als PDF.pdf|100px|right]]
*Welches Volumen hat eine angegebene Masse z.B. von Öl? Das wäre interessant wenn man keine Waage hat, aber ein genaues Messgefäß für das Volumen.
*Umgekehrt kann man bei bekannter Dichte, von der Masse einer Stoffportion auf das Volumen schließen.
*Auch die Berechung der Dichte wäre interessant, wenn man zum Beispiel untersuchen will, ob der Gold-Ring wirklich komplett aus Gold ist oder nur vergoldet.


Lade dir das Arbeitsblatt rechts herunter und nutze die Anleitung, um die Dichte eines beliebigen, eigenen Steins zu bestimmen.}}
Auf der folgenden Unterseite geht es um solche Aufgaben und du erhältst alle Informationen, wie man die Formel für die Defintion der Dichte nutzen kann, um alles zu berechnen.


{{AufgabeNr|XX|[[File:Pyrit-elba_hg.jpg|right|100px]]Mineralien sind gerne gekaufte Andenken. Frage deine Eltern, ob du eines mal für eine Dichtebestimmung nutzen kannst. Damit du dein Ergebnis auch kontrollieren kannst, muss es natürlich rein sein und kein Gestein zusätzlich enthalten. Gehe wieder so vor, wie im Arbeitsblatt beschrieben. Natürlich kannst du dir das Arbeitsblatt auch noch einmal herunterladen und es erneut nutzen.
'''→ [[Chemie-Lexikon/Stöchiometrie - Berechnungen mit der Dichte|Stöchiometrie - Berechnungen mit der Dichte]]'''
* Informiere dich vorher bei Wikipedia, ob das Mineral wasserlöslich ist. Wenn ja, dann darfst du die Verdrängungsmethode leider nicht anwenden.
* In dem Wikipedia-Artikel findet du eigentlich immer die Dichte. Vergleiche dann dein Ergebnis mit dem Literatur-Wert.
<small>Das {{wpde|Pyrit|Pyrit}}-Kristall rechts ist nicht wasserlöslich und hat laut Wikipedia eine Dichte von 4,95 bis 5,2 g/cm<sup>3</sup></small>}}
 
 
=== Bestimmung der Dichte von Flüssigkeiten ===
{|
|-
| <center>[[Datei:Waage_mit_leerem_Messzylinder.svg|100px]]</center>
|| Für die Bestimmung der Dichte müssen wir immer das Volumen und das Gewicht einer Stoffportion bestimmen. Beim Stein war die Portion vorgegeben. Bei einer Flüssigkeit kann man eine beliebige Portion nehmen. Da man eine Flüssigkeit nicht alleine wiegen kann, brauch wir erst einmal einen Messzylinder und bestimmen dessen Gewicht, wenn er leer ist.
|-
| &nbsp; || &nbsp;
|-
| <center>[[Datei:Waage mit Messzylinder und gelber Fluessigkeit.svg|100px]]</center> || Dann füllen wir uns erst einmal eine beliebige Menge der Flüssigkeit in den Messzylinder ab und bestimmen das Gewicht des Messzylinders zusammen mit der Flüssigkeit. Aus der Differenz der zwei Werte können wir berechnen, welches Gewicht die ausgewählte Stoffportion hat.
|-
| &nbsp; || &nbsp;
|-
| <center>[[Datei:Kleiner_Messzylinder_und_gelber_Fluessigkeit.svg|50px]]<br />
[[Datei:Meniskus richtig ablesen - gelbe Fluessigkeit - Skala von Messzylinder.svg|220px]]</center>
|| Das Volumen der Stoffportion kann man leicht an der Skala des Messzylinders abmessen. Achte auf das richtige Ablesen!
|}
 
 
{{AufgabeNr|XX|[[Datei:ARBEITSBLATT Dichte Bestimmung bei Flüssigkeiten als PDF.pdf|100px|right]]
 
Bestimme die Dichte von Olivenöl. Nutze dazu das Arbeitsblatt rechts, indem du es dir herunterlädst.}}
 
{{AufgabeNr|XX|
# Bestimme die Dichte von Wasser. Du kannst dazu genauso vorgehen, wie bei der letzten Aufgabe oder du lädst dir noch einmal das Arbeitsblatt herunter.
# Löse dann im Wasser möglichst viel Salz und bestimme dann die Dichte von deinem Salzwasser.
 
}}
=== Bestimmung der Dichte von Gasen ===
 
{{AufgabeNr|XX|Nutze eine große Plastikspritze, um die Dichte von Luft zu bestimmen. Ein Anleitung dazu findest du hier.}}
 
== Aufgaben und Berechnungen mit der Dichte ==
 
 
 
== Bedeutung der Dichte für den Auftrieb ==
[[Datei:Density column.JPG|right|80px]]
 
<br />


==Bedeutung der Dichte für den Auftrieb==
<div class="grid">
<div class="width-3-4">
Das Bild rechts zeigt verschiedene <u>flüssige</u> und <u>feste</u> Stoffe übereinander. Von oben nach unten sind es:
Das Bild rechts zeigt verschiedene <u>flüssige</u> und <u>feste</u> Stoffe übereinander. Von oben nach unten sind es:


* Baby-Öl, rot angefärbter Reinigungsalkohol (Isopropanol), Speise-Öl, Wachs, blau gefärbtes Wasser, Aluminium
*Benzin, rot angefärbter Reinigungsalkohol (''Isopropanol''), Speise-Öl, Wachs, blau gefärbtes Wasser, Aluminium
 


''Was hat das mit der Dichte zu tun?''
''Was hat das mit der Dichte zu tun?''


Dazu müsste man sich die Dichte-Werte zusammensuchen und die Zahlen miteinander vergleichen.
Dazu müsste man sich die Dichte-Werte zusammensuchen und die Zahlen miteinander vergleichen.
<center>
{| class="wikitable"
{| class="wikitable"
|-
|-
! Stoff !! Dichte
!Stoff!!Dichte
|-
|-
| Baby-Öl || Beispiel
|Benzin||0,748 g/cm³
|-
|-
| Isopropanol || Beispiel
|Isopropanol||0,78 g/cm³
|-
|-
| Speise-Öl || Beispiel
|Speise-Öl||0,91 g/cm³
|-
|-
| Wachs || Beispiel
|Wachs||0,95 g/cm³
|-
|-
| Wasser || Beispiel
|Wasser||1 g/cm³
|-
|-
| Aluminium || Beispiel
|Aluminium||2,6989 g/cm³
 
|}
|}
</center>


Du wirst festgestellt haben, dass die Dichte von oben nach unten immer mehr zunimmt.
Du wirst erkannt haben, dass die Dichte von oben nach unten immer mehr zunimmt.
</div>
<div class="width-1-4">
[[Datei:Density column.JPG]]
</div>
</div>


{{Kurzregel|Flüssige Stoffe ordnen sich in einem Gefäß immer so an, dass '''der Stoff mit der geringsten Dichte am weitesten oben''' ist.
{{Box|BEACHTE|Flüssige Stoffe ordnen sich in einem Gefäß immer so an, dass '''der Stoff mit der geringsten Dichte am weitesten oben''' ist.


Feste Stoffe können in einer Flüssigkeit ...
Feste Stoffe können in einer Flüssigkeit ...
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''Dies gilt natürlich nur, wenn die Stoffe sich nicht vermischen oder ineinander löslich sind.''
''Dies gilt natürlich nur, wenn die Stoffe sich nicht vermischen oder ineinander löslich sind.''
}}
|Hervorhebung1}}
 
<div class="grid">
<div class="width-2-3">Und da sind wir eigentlich wieder bei unserer ursprünglichen Frage, nämlich '''warum Holz auf Wasser schwimmt'''. Denn die meisten Holzarten (''siehe {{wpde|Holz#Dichte_und_elastomechanische_Eigenschaften|Holz}}'')&nbrsp;haben eine Dichte, die geringer als die vom Wasser ist. Und genau deshalb schwimmt Holz im Wasser.


{|  border="0"
|-
| [[File:Suppenhuhn fcm.jpg|200px|Fettaugen und -flecken beim Kochen des Suppenhuhns]]
|| &nbsp;&nbsp;&nbsp;
|| Und da sind wir eigentlich wieder bei unserer ursprünglichen Frage, nämlich '''warum Holz auf Wasser schwimmt'''. Denn die meisten Holzarten (''siehe {{wpde|Holz#Dichte_und_elastomechanische_Eigenschaften|Holz}}'') haben eine Dichte, die geringer als Wasser ist. Und genau deshalb schwimmt Holz im Wasser.


Gleiches gilt auch für die '''Fettaugen auf der Suppe'''. Vergleicht man nämlich Wasser und Öl, so hat Öl die geringere Dichte.
Gleiches gilt auch für die '''Fettaugen auf der Suppe'''. Vergleicht man nämlich Wasser und Öl, so hat Öl die geringere Dichte.
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<div class="width-1-3">[[File:Suppenhuhn fcm.jpg]] ''Fettaugen und -flecken beim Kochen des Suppenhuhns''</div>
</div>


Oder warst du schon mal '''im Meer schwimmen'''? Im Vergleich zu Süßwasser hat das Meerwasser, in dem Salz gelöst ist, eine höhere Dichte und so fällt das Schwimmen im Meer besonders leicht . Das '''tote Meer''' enthält sogar soviel Salz, dass man dort gar nicht untergehen kann. Man kann sich bequem hinsetzen und dabei Zeitung lesen.
<div class="grid">
|| &nbsp;&nbsp;&nbsp;
<div class="width-2-3">Oder warst du schon mal '''im Meer schwimmen'''? Im Vergleich zu Süßwasser hat das Meerwasser, in dem Salz gelöst ist, eine höhere Dichte und so fällt das Schwimmen im Meer besonders leicht.  
|| [[File:Dead sea newspaper.jpg|200px|Lesen auf dem toten Meer]]
|}
 
{|
|-
| Die Dichte zeigt sich bei Feststoffen nicht nur aufgrund der Schwimm-Eigenschaften. Die Dichte wird auch deutlich, bei der Absinkgeschwindigkeit. So sinken Stoffe mit hoher Dichte schneller nach unten, als solche mit niedriger Dichte.  Dies gilt übrigens nicht nur in Flüssgikeit sondern auch in der Luft. Habe Stoffe ungefähr die gleiche Form, so lassen sich Stoffe mit geringer Dichte leichter wegpusten und fallen weniger langsam runter. Diese Eigenschaft wird auch bei dem sogenannte '''Windsichten''' verwendet, mit dem zum Beispiel früher die ''(schwereren)'' Weizenkörner von der ''(leichten)'' Spreu mit Hilfe von Wind getrennt wurde. || &nbsp;&nbsp;&nbsp; || [[File:Rice winnowing, Uttarakhand, India.jpg|130px|Windsichten von Reis in Indien]]
|}


== Wissenwertes rund um die Dichte ==
=== Leicht- und Schwermetall ===
Den Begriff '''Schwermetalle''' wirst du vielleicht schon mal gehört haben. Meist wird er im Zusammenhang mit Umweltverschmutzung genannt. Schwermetall-Verbindungen sind meist für den Menschen und Tiere ungesund. Man kann sie allerdings nicht so einfach sehen, die SchwermatellaVerbindungen sind Salzartige Stoffe, die im Wasser löslich sind. ''Was das mit der Dichte zu tun hat?''


{{Kurzregel|Die Begriffe {{wpde|Leichtmetall|Leichtmetall}} und {{wpde|Schwermetall|Schwermetall}} haben mit der Dichte zu tun. Metalle mit einer Dichte von unter <math>5 \frac{g}{cm ^3}</math> nennt man '''Leichtmetalle'''. Darüber sind es '''Schwermetalle'''.}}


Allerdings hat zum Beispiel die recht hohe Dichte von {{wpde|Blei|Blei}} (11,342 g/cm³) durchaus praktische Anwendungen. Es wird als Gewicht verwendet ('''Bleigürtel''' beim Tauchen, '''Bleiband''' bei Gardinen) und die schweren Bleischürzen schirmen aufgrund der hohen Dichte auch radioaktive Strahlen ab, weswegen sie beim Röntgen eingesetzt werden. Es gibt zwar noch bessere, weil dichtere Metalle, aber die sind zu teuer.
Das '''tote Meer''' enthält sogar soviel Salz und damit eine viel höhere Dichte, dass man dort gar nicht untergehen kann. Man kann sich bequem ins Wasser setzen und dabei Zeitung lesen.</div>
<div class="width-1-3">[[File:Dead sea newspaper.jpg]] ''Zeitung lesen auf dem toten Meer''</div>
</div>


Auch {{wpde|Gold|Gold}} hat eine recht hohe Dichte. Und gerade {{wpde|Quecksilber||Quecksilber}} überrascht mit seiner hohen Dichte für eine Flüssigkeit, wenn man das erste Mal eine Quecksilber-Flasche hochhebt.
<div class="grid">
<div class="width-2-3">Die Dichte zeigt sich bei Feststoffen nicht nur aufgrund der Schwimm-Eigenschaften. Die Dichte wird auch deutlich, bei der Absinkgeschwindigkeit. So sinken Stoffe mit hoher Dichte schneller nach unten, als solche mit niedriger Dichte.


Dagegen nutzt man die Leichtmetalle wie {{wpde|Magnesium|Magnesium}} und {{wpde|Aluminium|Aluminium}} zum Beispiel beim Fahrzeugbau um Gewicht und damit Treibstoff zu sparen.


=== Die Dichteanomalie des Wassers ===
Dies gilt übrigens nicht nur in Flüssgikeit sondern auch in der Luft. Habe Stoffe ungefähr die gleiche Form, so lassen sich Stoffe mit geringer Dichte leichter wegpusten und fallen weniger langsam runter.  
''Die Dichte von Wasser ist unnormal!?'' Das erscheint dir sicher irgendwie merkwürdig, denn Wasser ist ein so alltäglicher Stoff ... wäre einem da etwas Unnormales nicht schon aufgefallen?


Dabei können wir froh sein, dass die Dichte des Wassers, bzw. des festen Wassers also Eis, sich so anders verhält als andere Stoffen. Um besser zu verstehen, was beim Wasser so unnormal ist, solltest du dir diesen Film anschauen:


<center>{{#ev:youtube|OfzbHz1e12E}} </center>


Folgendes ist zu erkennen:
Diese Eigenschaft wird auch bei dem sogenannte '''Windsichten''' verwendet, mit dem zum Beispiel früher die ''(schwereren)'' Weizenkörner von der ''(leichten)'' Spreu mit Hilfe von Wind getrennt wurde.</div>
* Feste Wachsklumpen gehen in flüssigem Wachs unter → ''die Dichte von festem Wachse ist geringer als die Dichte von flüssigem Wachse''
<div class="width-1-3">[[File:Rice winnowing, Uttarakhand, India.jpg]] ''Windsichten von Reis in Indien''</div>
* Gefrorener Eiseissig (''= hochkonzentrieter Essig'') geht im flüssigen Eisessig ebenfalls unter → ''die Dichte von festem Eisessig ist geringer als die Dichte von flüssigem Eissessig
</div>
* Gefrorenes Wasser, also Eis, schwimmt im flüssigen Wasser → ''die Dichte von festem'' Wasser (= Eis) ist höher als die Dichte von flüssigem Wasser''
Wachs und Eisessig kann man hier als normale Stoffe sehen. Denn bei allen anderen Stoffen, eben außer dem Wasser, ist es so, dass der feste Stoffe in seinen flüssigen Aggregatzustand untergeht. Und das ist das Unnormale am Wasser.


Wenn man hier mal den Begriff Dichte nutzt kann man also sagen.  
==Wissenwertes rund um die Dichte==
Nach den schon vorher angesprochenen Beispielen, wie sich die Dichte auswirkt, noch ein paar weitere alltägliche Effekte, wo wir die Dichte zu spüren bekommen.


{{Kurzregel|'''Im festen Aggregatzustand ist die Dichte normalerweise höher als in der Flüssigkeit.'''}}
===Leicht- und Schwermetall===
Den Begriff '''Schwermetalle''' wirst du vielleicht schon mal gehört haben. Meist wird er im Zusammenhang mit Umweltverschmutzung genannt. Schwermetall-Verbindungen sind meist für den Menschen und Tiere ungesund. Man kann sie allerdings nicht so einfach sehen, die Schwermetall-Verbindungen sind Salzartige Stoffe, die im Wasser löslich sind.  
Wie lässt sich das erklären, dass so normal ist? Im Grunde genommen geht das ganz einfach: dazu müssen wir nur die kleinsten Teilchen von Stoffen betrachten. In dem folgenden Video siehst du eine Simulation eines beliebigen Stoffes und dessen Teilchen bei verschiedenen Temperaturen.  


<center>{{#ev:youtube|f7mY9JESqTA}}</center>
''Was das mit der Dichte zu tun hat?''


Sortieren wir nun die Beobachtungen ein wenig, indem wir das Teilchenmodell des Stoffes mal in drei einzelnen Bildern betrachten, je eines für jeden Aggregatzustand.
{{Box|BEGRIFFE Leichtmetall, Schwermetall|Die Begriffe {{wpde|Leichtmetall|Leichtmetall}} und {{wpde|Schwermetall|Schwermetall}} haben mit der Dichte zu tun. Metalle mit einer Dichte von unter <math>5 \frac{g}{cm ^3}</math> nennt man '''Leichtmetalle'''. Liegt die Dichte darüber sind es '''Schwermetalle'''.}}


{|
Die Dichte hat zum dabei durchaus eine besondere Bedeutung. So hat zum Beispiel die recht hohe Dichte von {{wpde|Blei|Blei}} ''(11,342 g/cm³)'' durchaus praktische Anwendungen.  
|-
| <center>[[Datei:FilmBild-Teilchenmodell fest.png|300px]] </center>
||&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
|| <center>[[Datei:FilmBild-Teilchenmodell flüssig.png|300px]] </center>
||&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
|| <center> [[Datei:FilmBild-Teilchenmodell gasförmig.png|300px]] </center>
|-
| Bei sehr niedrigen Temperaturen ist der '''Stoff fest''' und ist die Bewegung der Teilchen sehr langsam. Die Teilchen sind ganz nah beieinander und eng gepackt.
<small>Ein Film, bei dem man Teilchen in Bewegung sieht findest du {{Video}} [http://www.youtube.com/watch?v=aqSoC_CrmvI hier].</small>
||&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
||Bei mittleren Temperaturen ist der '''Stoff flüssig''' sind die Teilchen zwar auch noch nah beieinander, da sich aber die Teilchen mit dem Erhitzen des Stoffes schneller bewegen, können sie nicht mehr eng zusammen bleiben, wie vorher beim festen Stoff. Der von den Teilchen eingenommene Platz ist daher größer.
<small>Ein Film, bei dem man Teilchen in Bewegung sieht findest du {{Video}} [http://www.youtube.com/watch?v=b4cPktEtw8g hier].</small>
||&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
|| Bei sehr hohen Temperaturen ist der Stoff gasförmig und die Teilchen sind noch schneller und daher wird ihr Abstand noch größer und die Teilchen sind weit im Raum verteilt.
<small>Ein Film, bei dem man Teilchen in Bewegung sieht findest du {{Video}} [http://www.youtube.com/watch?v=KE8OEMlPcCA hier].</small>
|}


Aufgrund der Definition der Dichte können wir nun erklären, warum die Dichte dann geringer ist:
Es wird als Gewicht verwendet ('''Bleigürtel''' beim Tauchen, '''Bleiband''' bei Gardinen) und die schweren Bleischürzen schirmen aufgrund der hohen Dichte auch gut gegen radioaktive Strahlen ab, weswegen sie beim Röntgen eingesetzt werden. Es gibt zwar noch bessere, weil dichtere Metalle, aber die sind zu teuer.  
:''Die Dichte ist ja Masse pro Volumen. Wenn die '''Masse gleich bleibt''' (''gleich viele Teilchen'') aber '''das Volumen zunimmt''' (''wegen dem Abstand zwischen den Teilchen'') dann wird die Dichte beim Erhitzen geringer.''


Warum das nun beim Wasser tatsächlich anders ist, lässt sich mit diesem einfachen Teilchenmodell nicht erklären. Auf jeden Fall ist es eben beim Wasser anders als bei den anderen Stoffen, weil Eis eine geringere Dichte als das flüssige Wasser hat. Man spricht deshalb von der '''''Dichteanomalie des Wassers'''''.
Auch {{wpde|Gold|Gold}} hat eine recht hohe Dichte. Und gerade {{wpde|Quecksilber||Quecksilber}} überrascht mit seiner hohen Dichte für eine Flüssigkeit, wenn man das erste Mal eine Quecksilber-Flasche hochhebt.


==== Warum ist die Dichteanomalie für uns wichtig? ====
Dagegen nutzt man die Leichtmetalle wie {{wpde|Magnesium|Magnesium}} und {{wpde|Aluminium|Aluminium}} zum Beispiel beim Fahrzeugbau um Gewicht und damit Treibstoff zu sparen.
{|
|-
|Die Tatsache, dass gefrorenes Wasser, also Eis, nicht absinkt ist von wesentlicher Bedeutung für das Überleben auf der Erde. Denn nur so können im Winter die Wasserbewohner überleben. Denn ist das Wasser tief genug, so friert ein Gewässer nicht durch und unten bildet sich eine 4°C kalte Schicht, in der die Wasserbewohner überleben können.||[[File:Anomalous expansion of water Summer Winter.svg]]
|}


==== Die endgültige Erklärung für die Dichteanomalie des Wassers====
===Die Dichteanomalie des Wassers===
Wie vorhin erwähnt wurde, lässt sich die Dichteanomalie mit dem einfachen Teilchenmodell nicht erklären. Erklärbar ist sie aber schon, nur sind dazu fortgeschrittene Kenntnisse wichtig. Wer sich es also zutraut, kann sich die folgenden Informationen und Bilder dazu anschauen.
''Die Dichte von Wasser ist unnormal!?'' Das erscheint dir sicher irgendwie merkwürdig, denn Wasser ist ein so alltäglicher Stoff ... wäre einem da etwas Unnormales nicht schon aufgefallen?


Wichtig ist dazu, dass man weiß, was Wasser genau ist, denn im einfach Teilchenmodell gehen wir ja nur davon aus, dass alle Teilchen aus kleinen Kugeln aufgebaut sind. Aber tatsächlich ist das ja nicht der Fall. Hier nun der Versuch, es auch für Chemie-Anfänger verständlich zu machen.
Dabei können wir froh sein, dass die Dichte des Wassers, bzw. des festen Wassers also Eis, sich so anders verhält als andere Stoffen. Um besser zu verstehen, was beim Wasser so unnormal ist, solltest du dir diesen Film anschauen:


<center>{{#ev:youtube|OfzbHz1e12E}} </center>


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Folgendes ist zu erkennen:
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| <br />
<center><big>'''H<sub>2</sub>O'''</big></center>
<br />


|| Die Formel des Wassers ist H<sub>2</sub>O, was vermutlich vielen bekannt ist. Dahinter steckt die Informationen, dass das Wasser eine Verbindung ist, die als kleinste Teilchen Moleküle enthält, die jeweils aus 2 Atome Wasserstoff und 1 Atom Sauerstoff bestehen.
*Feste Wachsklumpen gehen in flüssigem Wachs unter → '''die Dichte von festem Wachs ist geringer als die Dichte von flüssigem Wachs'''
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*Gefrorener Eiseissig (''= hochkonzentrieter Essig'') geht im flüssigen Eisessig ebenfalls unter → '''die Dichte von festem Eisessig ist geringer als die Dichte von flüssigem Eissessig'''
| <center>[[File:H2O.svg|150px]]</center> || Wie diese drei Atome miteinander wird mit der '''Lewisschreibweise''' verdeutlicht. Die Striche stehen für einige der im Atom vorhandenen Elektronen, die teilweise dafür zuständig sind, dass die Atome zusammenhalten. Die anderen Striche sind zwar nicht für den Zusammenhalt der Atome verantwortlich, aber sie brauchen auch Platz und beeinflussen damit das Aussehen des Moleküls. hHer führen sie dazu, dass das Wassermolekül gewinkelt ist.
*Gefrorenes Wasser, also Eis, schwimmt im flüssigen Wasser → '''die Dichte von festem Wasser (= Eis) ist höher als die Dichte von flüssigem Wasser'''
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| <center>[[File:H2O-Kalottenmodell.png|150px]]</center> || Das tatsächliche Aussehen des Moleküls müsste man eher so darstellen, denn Atome sind ja keine Buchstaben sondern Kugeln. Sie überlappen an einigen Stellen und halten dadurch zusammen. Man sagt dazu '''Kalottenmodell'''.
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| <center>[[Datei:H2O-MEP.png|150px]]</center> || Eine Besonderheit beim Wasser ist, dass aufgrund der sogenannten '''Elektronegativität''' die Elektronen vom Sauerstoff etwas stärker angezogen werden als vom Wasserstoff. Dadurch ist der Sauerstoff etwas negativ geladen und die Wasserstoff-Atome etwas positiv. Das wird hier im Bild mit verschiedenen Farben angedeutet.
|}


Wachs und Eisessig sind hier die eigentlich '''normalen''' Stoffe. Denn bei allen anderen Stoffen, eben außer dem Wasser, ist es so, dass der feste Stoff in seinen flüssigen Aggregatzustand untergeht. Und das ist das Unnormale am Wasser.


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Wenn man hier mal den Begriff "Dichte" nutzt kann man also sagen.  
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| Auch andere Moleküle haben solche Teilladungen, nur beim Wasser ist sie besonders stark, was auch am kleinen Wasseratom liegt.  


{{Box|Dichte von Stoffen in verschiedenen Aggregatzuständen|'''Im festen Aggregatzustand ist die Dichte normalerweise höher als in der Flüssigkeit.'''|Hervorhebung1}}


Die unterschiedlichen Teilladungen bewirken nun, dass die einzelnen Wassermoleküle sich sehr stark untereinander anziehen können. Dabei zieht das teilweise negativ geladene Sauerstoffatom (''oben roter Bereich, hier die roten Kugeln'') die teilweise negativ geladenen Wasserstoffatome (''oben der blaue Bereich, hier die weißen Kugeln'') an. Diese Anziehung wirkt sich ja jeweils nicht nur auf ein anderes Molekül aus und so entsteht so eine Art Gitter.  
Wie lässt sich das erklären, dass diese Verhalten normal ist? Im Grunde genommen geht das ganz einfach: dazu müssen wir nur die kleinsten Teilchen von Stoffen betrachten. In dem folgenden Video siehst du eine Simulation eines beliebigen Stoffes und dessen Teilchen bei verschiedenen Temperaturen.  


<center>{{#ev:youtube|f7mY9JESqTA}}</center>


Im Bild rechts sieht man mehrere Wassermoleküle, wobei die Darstellung ein Gemisch aus unserem zweiten und dritten Bild ist. Die Atome werden als Kugeln dargestellt, die Stöcke stehen für die Verbindung zwischen den Atomen. Daher nennt man diese Darstellung auch '''Kugel-Stab-Modell'''.
Sortieren wir nun die Beobachtungen ein wenig, indem wir das Teilchenmodell des Stoffes mal in drei einzelnen Bildern betrachten, je eines für jeden Aggregatzustand.


Die gestrichelten Linien deuten die Anziehung aufgrund der unterschiedlichen Ladung an.
<div class="grid">
<div class="width-1-3">
[[Datei:FilmBild-Teilchenmodell fest.png]]


Die Anordnung der Moleküle ist natürlich räumlich, also auch nach hinten verteilt.
Bei sehr niedrigen Temperaturen ist der '''Stoff fest''' und die Bewegung der Teilchen ist sehr langsam. Die Teilchen sind ganz nah beieinander und eng gepackt.


|| [[Datei:Wasserstoffbrückenbindungen-Wasser.svg|300px]]
Einen Film, bei dem man die Teilchen in Bewegung sieht, findest du [http://www.youtube.com/watch?v=aqSoC_CrmvI hier].
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</div>
 
<div class="width-1-3">
Was nun diese starke Anziehung zwischen den Wassermolekülen bewirkt, wird im folgenden Video simuliert. Wieder siehst du eine Darstellung des Wassermoleküls wie im letzten Bild.
[[Datei:FilmBild-Teilchenmodell flüssig.png]]
 
Zuerst ist die Temperatur etwas höher und wie im einfachen Teilchenmodell sind die Teilchen, also hier die Moleküle, schnell in Bewegung. Mit dem Abkühlen, wenn am Schieberegler rechts oben die Temperatur in der Simulation verringert wird, wird die Bewegung langsamer. Und was dabei passiert, solltest du dir nun mal anschauen.
 
''Die Ansicht wird übrigens hin und wieder gedreht, um sie aus verschiedenen Richtungen betrachten zu können.''
 
<center>{{#ev:youtube|bOPJ2_jb22E|550}} &nbsp;&nbsp;&nbsp;</center>
 
'''Nun, was ist zu sehen?''' Wie im Bild vorher kann man neben den Molekülen dünne, gestrichelte Linien erkennen, die wieder für die Anziehung der Teilladungen im Wassermolekül stehen. Sind die Wassermoleküle schnell in Bewegung, so ist die Anziehung nicht immer vorhanden, denn dazu müssen die Moleküle einigermaßen nah sein. Je langsamer aber die Teilchen werden, desto besser kann die Anziehung wirken und so sind die dünnen Striche scheinbar "stabiler".
 
Je langsamer werden desto stabiler wird die Anziehung und man kann schließlich erkennen, dass die Moleküle, auch wenn sie noch in Bewegung sind, eine einigermaßen stabile Position einnehmen. Und diese Position führt gleichzeitig dazu, dass man zwischendurch sechseckige Bereich erkennen kann, die scheinbar immer frei sind. Wenn die Bewegung der Moleküle immer langsamer werden wird das immer deutlicher und schließlich hat man quasi eine perfekte, sechseckige Anordnung der Moleküle.
 
{|
|-
|
<jmol>
<jmolApplet>
<size>500</size>
<uploadedFileContents>Eis.cml</uploadedFileContents>
</jmolApplet>
</jmol>
|| &nbsp; &nbsp;
|| Im Bild links sieht man eine recht große Anzahl an Wassermolekülen. Sie sind regelmäßig angeordnet, was sich ja aus der Anziehung zwischen Wassermolekülen ergibt. Diese starre Anordnung würde es in Realität nicht geben, da die Teilchen auch im gefrorenen Zustand immer ein wenig in Bewegung sind und auf der Stelle schwingen, so wie es in der SImulation auch zu sehen war. Die Wasserstoffbrücken halten die Wassermoleküle aber trotzdem an der Stelle und bewirken die regelmäßige Anordnung.
 
*'''''Zur Bedienung:''' Mit der linken Maustaste kannst du die Darstellung in alle Richtungen drehen, mit dem Mausrad vergrößern und verkleinern, per Rechtsklick kannst du das Menü aufrufen und die Darstellung verändern.''
 
Die Striche für die Anziehung sind hier noch nicht zu sehen, so können aber sichtbar gemacht werden.
 
* '''''Anziehung anzeigen:'''Im Menü auf "Stil" dann auf "Wasserstoff(brücken)bindungen". Dort den Befehl "Berechnen" auswählen. Nun werden die Wasserstoffbrücken als gestrichelte Linien angezeigt.''
 
Wenn du dir diese Anordnung von verschiedenen Seite betrachtest, erkennst du eine Struktur, die von einigen Seiten sechseckige Löcher zeigt.
 
'''WICHTIG:''' Die hier zu sehende Darstellung, dass die Moleküle einen großen Abstand voneinander haben, ist natürlich alles andere als realistisch. Dieses '''Kugel-Stab-Modell''' ist im Prinzip eine andere Darstellung die für die Lewisschreibweise Stäbe und dei Kugeln haben nicht die richtige Größe der Atome. Diese Größe wird im '''Kalottenmodell''' besser verdeutlicht (siehe oben).
 
* '''''Kalottenmodell nutzen:''' Im Menü auf "Stil" dann auf "Schema". Dort wird die Einstellung "Kalotten" ausgewählt. Man kann die alte Ansicht wieder zurückholen, indem man an gleicher Stelle die Einstellung "Kugel-Stab" auswählt.''
 
Nun sieht man, dass sich die Moleküle tatsächlich alle berühren. Man kann kaum zwischen der Bindung zwischen den Atomen und den Wasserstoffbrückenbindungen unterscheiden. Trotzdem sind immer noch Lücken vorhanden!
|}


Bei mittleren Temperaturen ist der '''Stoff flüssig''' und die Teilchen sind zwar auch noch nah beieinander, da sich aber die Teilchen mit dem Erhitzen des Stoffes schneller bewegen, können sie nicht mehr so eng zusammen bleiben, wie vorher beim festen Stoff. Der von den Teilchen eingenommene Platz ist daher größer.


<small>Ein Film, bei dem man die Teilchen in Bewegung sieht, findest du [http://www.youtube.com/watch?v=b4cPktEtw8g hier].</small>
</div>
<div class="width-1-3">
[[Datei:FilmBild-Teilchenmodell gasförmig.png]]


Bei sehr hohen Temperaturen ist der '''Stoff gasförmig''' und die Teilchen sind noch schneller und daher wird ihr Abstand noch größer und die Teilchen sind weit im Raum verteilt.


<small>Ein Film, bei dem man die Teilchen in Bewegung sieht, findest du [http://www.youtube.com/watch?v=KE8OEMlPcCA hier].</small>
</div>
</div>


Aufgrund der Definition der Dichte können wir nun erklären, warum die Dichte dann geringer ist:


:''Die Dichte ist ja Masse pro Volumen. Wenn die '''Masse gleich bleibt''' (''gleich viele Teilchen'') aber '''das Volumen zunimmt''' (''wegen dem Abstand zwischen den Teilchen'') dann wird die Dichte beim Erhitzen immer geringer.''


Warum das nun beim Wasser tatsächlich anders ist, lässt sich mit diesem einfachen Teilchenmodell nicht erklären. Tatsächlich ist es der Abstand der Wasser-Teilchen, der im gefrorenen Zustand größer ist als in der Flüssigkeit. 
Und da unterscheidet sich das Wasser von allen anderen Stoffen, weil Eis eine geringere Dichte als das flüssige Wasser hat. Man spricht deshalb von der '''''Dichteanomalie des Wassers'''''.


[[Kategorie:Dichte]][[Kategorie:Stoffeigenschaften]][[Kategorie:Schwermetall]][[Kategorie:Leichtmetall]][[Kategorie:Versuche]][[Kategorie:Versuchsaufbau]]
====Warum ist die Dichteanomalie für uns wichtig?====
<div class="grid">
<div class="width-1-2">Die Tatsache, dass gefrorenes Wasser, also Eis, nicht absinkt ist von wesentlicher Bedeutung für das Überleben auf der Erde. Denn nur so können im Winter die Wasserbewohner überleben. Denn ist das Wasser tief genug, so friert ein Gewässer nicht durch und unten bildet sich eine 4°C kalte Schicht, in der die Wasserbewohner überleben können.</div>
<div class="width-1-2">[[File:Anomalous expansion of water Summer Winter.svg]]</div>
</div>
[[Kategorie:Dichte]]
[[Kategorie:Stoffeigenschaft]]
[[Kategorie:Metalle]]
[[Kategorie:Chemie]]

Aktuelle Version vom 14. Mai 2022, 03:20 Uhr

Worum geht es hier

Wenn etwas im Wasser untergeht sagt man gerne "das war zu schwer". Aber, was ist mit ganzen Baumstämmen? Sind die leicht, weil sie nicht untergehen? Nein, das kann es nicht sein, denn sicher ist ein großer Baumstamm nicht gerade leicht. Und dann geht ja selbst der leichteste Stein im Wasser unter.

Also, damit es ist ganz klar, dass das Gewicht nicht die Eigenschaft sein kann, weswegen etwas schwimmt oder eben untergeht.

Woran liegt es also?

Zunächst einmal sollte man, damit man zwei Stoffe wirklich vergleichen kann, die gleiche Menge davon nehmen. Denn es ist klar, dass wenn man ein große Portion von einem Stoff hat, diese Portion natürlich auch schwerer ist als eine kleinere.

Betrachten wir also kleine Würfelchen mit der Seitenlänge von 1 cm, die damit alle das gleiche Volumen von 1cm³ haben. Wiegt man diese Würfel, so stellt man fest, dass die Würfel aus verschiedenen Materialien alle unterschiedlichen Massen haben.

Stoff Masse von 1 cm³
Eisen 7,874 g/cm³
Aluminium 2,6989 g/cm³
Blei 11,342 g/cm³
Holz
(je nach Holzart)
z.B. zwischen 0,47 g/cm³ (Fichte) und 0,69 g/cm³ (Esche)
Kunststoff
(z.B.Poylethylen)
zwischen 0,915 g/cm³ und 0,97 g/cm³
usw. ...

Kräfte am eingetauchten Körper.jpg Hier kommt ein Foto hin!

So zeigt sich deutlich, dass 1 cm³ von Holz wesentlich leichter sind, als etwa 1 cm³ Eisen. Die gleiche Menge an Holz ist also leichter als die entsprechende Menge an Eisen.

Da man von einem Stoff nicht immer ein 1 cm³-Würfelchen zur Hand hat, müsste man die Masse eines Stoffes mit seinem Volumen vergleichen. Berechnet man den Quotienten aus Masse und Volumen, so erhält man eine Zahl die man als DICHTE bezeichnet.


MERKE Difinition der Dichte

oder mit Symbolen .

Einheit der Dichte: bei Feststoffen und Flüssigkeiten oder bei gasförmigen Stoffen
Bei dem "komischen Buchstaben , der fast wie ein "p" aussieht, handelt es sich um einen griechischen Buchstaben, wie ihr sie auch von der Winkelbenennung kennt. Hier ist es das kleine "rho" (lies: roh).

Die DICHTE (oder auch spezifisches Gewicht) ist eine Stoffeigenschaft, die für viele reine Stoffe genau bestimmt werden kann. Daher kann man die Dichte auch nutzen, um einen Stoff zu identifizieren. Damit man nicht immer selber die Dichte berechnen muss, gibt es die Werte von ganz vielen Stoffen in Datensammlungen, in denen du nachschlagen kannst. In der Wikipedia findest du zu fast jedem Stoff, der dort aufgeführt ist, immer auch die Dichte, da es eine wichtige Stoffeigenschaft ist. Schul-Bücher enthalten meist eine Liste der Elemente mit Eigenschaften, in denen meist auch die Dichten angegeben sind. Einen Überblick liefern die Tabellen hier:

Die Dichte eines Stoffes kann schon helfen, einen Stoff zu identifizieren, daher sollte man auch wissen, wie man die Dichte bei verschiedenen Stoffen bestimmen kann.

Praktische Bestimmung von Dichten

Für die Bestimmung der Dichte eines unbekannten Stoffes muss man eine Portion des reinen Stoffes haben und von dieser Portion das Volumen und sein Gewicht bestimmen. Je nachdem, in welchem Aggregatzustand der Stoff vorliegt, führt das zu unterschiedlichen Problemen bei der Bestimmung der beiden Werte.

Zum einen, die Bestimmung des Volumens: Nicht immer sind Stoffe in praktischen Würfeln oder Quadern gegeben. Bei solchen Würfeln könnte man einfach die Kantenlänge messen und das Volumen daraus berechnen.

ZUR ERINNERUNG: Volumen von Würfeln und Quader
  • Volumen eines Würfels mit der Seitenlänge a:
  • Volumen eines Quaders mit den Seitenlängen a, b, c:

Was aber bei unregelmäßigen Körpern machen, wie etwa einem Stein? Hier kann man das Volumen mit einem Lineal nur grob schätzen. Auch bei Flüssigkeiten ist die Volumen-Bestimmung mit Hilfe eines Quaders unpraktikabel, wobei man da ja Messzylinder hat, mit denen man das Volumen einer Flüssigkeitsportion bestimmen kann. Bei Gasen geht das dann aber auch wieder nicht, denn ein Gas muss rundherum eingeschlossen sein, weil es sich sonst verflüchtigt.

Diese Überlegungen zeigen die "Probleme", die es nötig machen, für jeden Aggregatzustand ein spezielles Verfahren zu nutzen, mit denen man das Volumen und die Masse von einer Stoffportion bestimmen kann, um dann die Dichte zu berechnen.

Aufgaben und Berechnungen mit der Dichte

Die Dichte ist nicht nur ein Wert, denn man bestimmt, um einen Stoff zu identifizieren. Auch bei bekannter Dichte, gibt es da zahlreiche Anwendungen, wo mit Hilfe der Dichte etwas berechnet werden kann. Hier ein paar schnelle Beispiele:

  • Welches Volumen hat eine angegebene Masse z.B. von Öl? Das wäre interessant wenn man keine Waage hat, aber ein genaues Messgefäß für das Volumen.
  • Umgekehrt kann man bei bekannter Dichte, von der Masse einer Stoffportion auf das Volumen schließen.
  • Auch die Berechung der Dichte wäre interessant, wenn man zum Beispiel untersuchen will, ob der Gold-Ring wirklich komplett aus Gold ist oder nur vergoldet.

Auf der folgenden Unterseite geht es um solche Aufgaben und du erhältst alle Informationen, wie man die Formel für die Defintion der Dichte nutzen kann, um alles zu berechnen.

Stöchiometrie - Berechnungen mit der Dichte

Bedeutung der Dichte für den Auftrieb

Das Bild rechts zeigt verschiedene flüssige und feste Stoffe übereinander. Von oben nach unten sind es:

  • Benzin, rot angefärbter Reinigungsalkohol (Isopropanol), Speise-Öl, Wachs, blau gefärbtes Wasser, Aluminium

Was hat das mit der Dichte zu tun?

Dazu müsste man sich die Dichte-Werte zusammensuchen und die Zahlen miteinander vergleichen.

Stoff Dichte
Benzin 0,748 g/cm³
Isopropanol 0,78 g/cm³
Speise-Öl 0,91 g/cm³
Wachs 0,95 g/cm³
Wasser 1 g/cm³
Aluminium 2,6989 g/cm³

Du wirst erkannt haben, dass die Dichte von oben nach unten immer mehr zunimmt.


BEACHTE

Flüssige Stoffe ordnen sich in einem Gefäß immer so an, dass der Stoff mit der geringsten Dichte am weitesten oben ist.

Feste Stoffe können in einer Flüssigkeit ...

  • an der Oberfläche schwimmen ... wenn die Dichte vom Feststoff geringer als die Dichte der Flüssigkeit ist.
  • in der Flüssigkeit schweben ... wenn die Dichte vom Feststoff gleich der Dichte der Flüssigkeit ist.
  • auf den Boden sinken ... wenn die Dichte vom Feststoff größer als die Dichte der Flüssigkeit ist.

Dies gilt natürlich nur, wenn die Stoffe sich nicht vermischen oder ineinander löslich sind.

Und da sind wir eigentlich wieder bei unserer ursprünglichen Frage, nämlich warum Holz auf Wasser schwimmt. Denn die meisten Holzarten (siehe HolzDatei:Wikipedia-logo.png)&nbrsp;haben eine Dichte, die geringer als die vom Wasser ist. Und genau deshalb schwimmt Holz im Wasser.


Gleiches gilt auch für die Fettaugen auf der Suppe. Vergleicht man nämlich Wasser und Öl, so hat Öl die geringere Dichte.

Datei:Suppenhuhn fcm.jpg Fettaugen und -flecken beim Kochen des Suppenhuhns
Oder warst du schon mal im Meer schwimmen? Im Vergleich zu Süßwasser hat das Meerwasser, in dem Salz gelöst ist, eine höhere Dichte und so fällt das Schwimmen im Meer besonders leicht.


Das tote Meer enthält sogar soviel Salz und damit eine viel höhere Dichte, dass man dort gar nicht untergehen kann. Man kann sich bequem ins Wasser setzen und dabei Zeitung lesen.
Dead sea newspaper.jpg Zeitung lesen auf dem toten Meer
Die Dichte zeigt sich bei Feststoffen nicht nur aufgrund der Schwimm-Eigenschaften. Die Dichte wird auch deutlich, bei der Absinkgeschwindigkeit. So sinken Stoffe mit hoher Dichte schneller nach unten, als solche mit niedriger Dichte.


Dies gilt übrigens nicht nur in Flüssgikeit sondern auch in der Luft. Habe Stoffe ungefähr die gleiche Form, so lassen sich Stoffe mit geringer Dichte leichter wegpusten und fallen weniger langsam runter.


Diese Eigenschaft wird auch bei dem sogenannte Windsichten verwendet, mit dem zum Beispiel früher die (schwereren) Weizenkörner von der (leichten) Spreu mit Hilfe von Wind getrennt wurde.
Datei:Rice winnowing, Uttarakhand, India.jpg Windsichten von Reis in Indien

Wissenwertes rund um die Dichte

Nach den schon vorher angesprochenen Beispielen, wie sich die Dichte auswirkt, noch ein paar weitere alltägliche Effekte, wo wir die Dichte zu spüren bekommen.

Leicht- und Schwermetall

Den Begriff Schwermetalle wirst du vielleicht schon mal gehört haben. Meist wird er im Zusammenhang mit Umweltverschmutzung genannt. Schwermetall-Verbindungen sind meist für den Menschen und Tiere ungesund. Man kann sie allerdings nicht so einfach sehen, die Schwermetall-Verbindungen sind Salzartige Stoffe, die im Wasser löslich sind.

Was das mit der Dichte zu tun hat?


BEGRIFFE Leichtmetall, Schwermetall
Die Begriffe LeichtmetallDatei:Wikipedia-logo.png und SchwermetallDatei:Wikipedia-logo.png haben mit der Dichte zu tun. Metalle mit einer Dichte von unter nennt man Leichtmetalle. Liegt die Dichte darüber sind es Schwermetalle.

Die Dichte hat zum dabei durchaus eine besondere Bedeutung. So hat zum Beispiel die recht hohe Dichte von BleiDatei:Wikipedia-logo.png (11,342 g/cm³) durchaus praktische Anwendungen.

Es wird als Gewicht verwendet (Bleigürtel beim Tauchen, Bleiband bei Gardinen) und die schweren Bleischürzen schirmen aufgrund der hohen Dichte auch gut gegen radioaktive Strahlen ab, weswegen sie beim Röntgen eingesetzt werden. Es gibt zwar noch bessere, weil dichtere Metalle, aber die sind zu teuer.

Auch GoldDatei:Wikipedia-logo.png hat eine recht hohe Dichte. Und gerade QuecksilberDatei:Wikipedia-logo.png überrascht mit seiner hohen Dichte für eine Flüssigkeit, wenn man das erste Mal eine Quecksilber-Flasche hochhebt.

Dagegen nutzt man die Leichtmetalle wie MagnesiumDatei:Wikipedia-logo.png und AluminiumDatei:Wikipedia-logo.png zum Beispiel beim Fahrzeugbau um Gewicht und damit Treibstoff zu sparen.

Die Dichteanomalie des Wassers

Die Dichte von Wasser ist unnormal!? Das erscheint dir sicher irgendwie merkwürdig, denn Wasser ist ein so alltäglicher Stoff ... wäre einem da etwas Unnormales nicht schon aufgefallen?

Dabei können wir froh sein, dass die Dichte des Wassers, bzw. des festen Wassers also Eis, sich so anders verhält als andere Stoffen. Um besser zu verstehen, was beim Wasser so unnormal ist, solltest du dir diesen Film anschauen:

Folgendes ist zu erkennen:

  • Feste Wachsklumpen gehen in flüssigem Wachs unter → die Dichte von festem Wachs ist geringer als die Dichte von flüssigem Wachs
  • Gefrorener Eiseissig (= hochkonzentrieter Essig) geht im flüssigen Eisessig ebenfalls unter → die Dichte von festem Eisessig ist geringer als die Dichte von flüssigem Eissessig
  • Gefrorenes Wasser, also Eis, schwimmt im flüssigen Wasser → die Dichte von festem Wasser (= Eis) ist höher als die Dichte von flüssigem Wasser

Wachs und Eisessig sind hier die eigentlich normalen Stoffe. Denn bei allen anderen Stoffen, eben außer dem Wasser, ist es so, dass der feste Stoff in seinen flüssigen Aggregatzustand untergeht. Und das ist das Unnormale am Wasser.

Wenn man hier mal den Begriff "Dichte" nutzt kann man also sagen.


Dichte von Stoffen in verschiedenen Aggregatzuständen
Im festen Aggregatzustand ist die Dichte normalerweise höher als in der Flüssigkeit.

Wie lässt sich das erklären, dass diese Verhalten normal ist? Im Grunde genommen geht das ganz einfach: dazu müssen wir nur die kleinsten Teilchen von Stoffen betrachten. In dem folgenden Video siehst du eine Simulation eines beliebigen Stoffes und dessen Teilchen bei verschiedenen Temperaturen.

Sortieren wir nun die Beobachtungen ein wenig, indem wir das Teilchenmodell des Stoffes mal in drei einzelnen Bildern betrachten, je eines für jeden Aggregatzustand.

FilmBild-Teilchenmodell fest.png

Bei sehr niedrigen Temperaturen ist der Stoff fest und die Bewegung der Teilchen ist sehr langsam. Die Teilchen sind ganz nah beieinander und eng gepackt.

Einen Film, bei dem man die Teilchen in Bewegung sieht, findest du hier.

FilmBild-Teilchenmodell flüssig.png

Bei mittleren Temperaturen ist der Stoff flüssig und die Teilchen sind zwar auch noch nah beieinander, da sich aber die Teilchen mit dem Erhitzen des Stoffes schneller bewegen, können sie nicht mehr so eng zusammen bleiben, wie vorher beim festen Stoff. Der von den Teilchen eingenommene Platz ist daher größer.

Ein Film, bei dem man die Teilchen in Bewegung sieht, findest du hier.

FilmBild-Teilchenmodell gasförmig.png

Bei sehr hohen Temperaturen ist der Stoff gasförmig und die Teilchen sind noch schneller und daher wird ihr Abstand noch größer und die Teilchen sind weit im Raum verteilt.

Ein Film, bei dem man die Teilchen in Bewegung sieht, findest du hier.

Aufgrund der Definition der Dichte können wir nun erklären, warum die Dichte dann geringer ist:

Die Dichte ist ja Masse pro Volumen. Wenn die Masse gleich bleibt (gleich viele Teilchen) aber das Volumen zunimmt (wegen dem Abstand zwischen den Teilchen) dann wird die Dichte beim Erhitzen immer geringer.

Warum das nun beim Wasser tatsächlich anders ist, lässt sich mit diesem einfachen Teilchenmodell nicht erklären. Tatsächlich ist es der Abstand der Wasser-Teilchen, der im gefrorenen Zustand größer ist als in der Flüssigkeit. Und da unterscheidet sich das Wasser von allen anderen Stoffen, weil Eis eine geringere Dichte als das flüssige Wasser hat. Man spricht deshalb von der Dichteanomalie des Wassers.

Warum ist die Dichteanomalie für uns wichtig?

Die Tatsache, dass gefrorenes Wasser, also Eis, nicht absinkt ist von wesentlicher Bedeutung für das Überleben auf der Erde. Denn nur so können im Winter die Wasserbewohner überleben. Denn ist das Wasser tief genug, so friert ein Gewässer nicht durch und unten bildet sich eine 4°C kalte Schicht, in der die Wasserbewohner überleben können.