Aggregatzustände: Unterrichtsentwurf mit Simulation
Aktualisiert am 2026-10-02
Dieser Unterrichtsentwurf zu den Aggregatzuständen nutzt eine kostenlose Teilchensimulation, um die Frage hinter jeder Erhitzungs- und Abkühlungsaktivität zu beantworten: Was tun die Teilchen eigentlich? Die Lernenden erhitzen einen Feststoff, bis er schmilzt und siedet, sehen zu, wie die Teilchen aus ihrem Gitter ausbrechen, vergleichen vier Stoffe und finden heraus, warum Wasser so viel mehr Wärme braucht als Neon. Sie erhalten Lernziele, Vorbereitung, Vorhersagen, einen Ablauf Schritt für Schritt mit den Werten, die die Lernenden sehen sollten, ein Set mit fünf Fragen für den Klassenlink, eine Vertiefung mit der Heizkurve und Ideen zur Differenzierung. Jede Zahl unten stammt aus dem Modellcode der Simulationen selbst.
Die Stunde im Überblick
- Stufe: Klassen 6–9 (11–15 Jahre). Der Teil zum Wechselwirkungspotential passt auch zu den Klassen 10–12.
- Zeit: eine Stunde von 50–60 Minuten, plus eine optionale Vertiefung von 15 Minuten.
- Vorwissen: feste, flüssige und gasförmige Stoffe aus dem Alltag; Temperatur. Keine Gleichungen nötig.
- Form: Paare an Laptops oder Tablets, oder die ganze Klasse mit einem Projektor.
- Simulation: Aggregatzustände – fest, flüssig, gasförmig und Phasenübergänge. Vertiefung: Aggregatzustände – Teilchenmodell beim Erhitzen und Abkühlen.
Lernziele
Am Ende der Stunde können die Lernenden:
- Anordnung und Bewegung der Teilchen in einem Feststoff, einer Flüssigkeit und einem Gas beschreiben.
- Schmelzen und Sieden erklären als Teilchen, die genug Energie gewinnen, um ihre Anziehung zu überwinden.
- Die Stärke der Anziehung zwischen Teilchen mit der Höhe des Siedepunkts eines Stoffes verknüpfen.
- Vorhersagen, wie das Zusammendrücken eines heißen Gases seinen Druck ändert.
- (Vertiefung) Erklären, warum die Temperatur in einer Heizkurve gleich bleibt, während ein Stoff schmilzt oder siedet.
Was die Simulation macht
Jedes Teilchen bewegt sich unter echten Kräften: Anziehung auf Abstand, Abstoßung aus der Nähe (das Lennard-Jones-Modell). Nichts ist vorab animiert. Sie wählen Neon, Argon, Sauerstoff oder Wasser; Argon ist der Standard.
Sie hat drei Bildschirme:
- Zustände: ein geschlossener Behälter mit 80 Teilchen, der als Feststoff beginnt. Ziehen Sie den Regler Heizen / Kühlen zu Heiß oder Kalt, oder nutzen Sie die Schnellbuttons Fest, Flüssig und Gas. +10 Teilchen und −10 Teilchen ändern die Menge, bis zu 100. Die Temperatur erscheint in Kelvin über dem Behälter, und eine Statuszeile beschreibt den Zustand: „Die Teilchen schwingen um feste Plätze — fest.“
- Phasenübergänge: 40 Teilchen unter einem Kolben. Ziehen Sie den grauen Balken, um zu komprimieren oder auszudehnen, pumpen Sie mehr Teilchen hinein (bis zu 120) und heizen oder kühlen Sie. Eine Anzeige zeigt den Druck in atm, und ein kleines Phasendiagramm markiert den aktuellen Zustand.
- Wechselwirkungspotential: die Energiekurven aller vier Stoffe in einem Diagramm. Ziehen Sie Abstand r von 200 bis 900 pm, um die potenzielle Energie U zwischen zwei Teilchen abzulesen. Die Statuszeile nennt den tiefsten Punkt der Potentialmulde für den gewählten Stoff.
Drei Modelldetails sollten Sie vor dem Unterricht kennen:
- Die Zustandsbezeichnung ergibt sich aus der Temperatur. Argon wird ab etwa 42 K als flüssig und ab etwa 78 K als gasförmig bezeichnet. Diese Grenzen sind aus der Anziehung jedes Stoffes skaliert, sie ordnen die Stoffe also sinnvoll, stimmen aber nicht mit echten Schmelz- und Siedepunkten überein. Echtes Argon schmilzt bei 84 K und siedet bei 87 K. Sagen Sie den Lernenden, sie sollen den Teilchen mehr trauen als der Bezeichnung.
- Die Temperatur flackert. Sie ergibt sich aus der Geschwindigkeit der Teilchen und springt daher auch bei ausgeschalteter Heizung um mehrere Kelvin, und die Bezeichnung kann nahe einem Zustandswechsel flackern. Behandeln Sie die Anzeigen als ungefähr.
- Wasser wird als ein rundes Teilchen gezeichnet. Seine stärkere Anziehung steht stellvertretend für die Wasserstoffbrücken. Das ergibt eine gute Frage: „Was lässt das Modell weg?“
Material und Vorbereitung vor dem Unterricht
Material: ein Gerät pro Paar (oder ein Projektor), die Protokolltabelle unten auf Papier und die Erinnerung, dass 0 °C gleich 273 K sind.
Vorbereitung (10 Minuten, einmalig):
- Öffnen Sie die Simulation. Die Standardwerte sind der Bildschirm Zustände, Argon, 80 Teilchen, Start als Feststoff.
- Klicken Sie auf Teilen und erstellen Sie für jede Klasse einen Link, zum Beispiel „Naturwissenschaften · 3. Stunde“. Der Link legt diese Startwerte fest.
- Optional: Geben Sie auf dem Tab Fragen das Fragenset unten ein und hängen Sie es an den Link.
- Posten Sie den Link, oder öffnen Sie ihn im Präsentationsmodus und zeigen Sie den QR-Code, damit die Lernenden auf ihren eigenen Geräten beitreten.
Ablauf der Stunde
1. Einstieg und Vorhersagen (7 Minuten)
Halten Sie einen Eiswürfel hoch und fragen Sie: „Die Wassermoleküle in diesem Eis und im Wasserdampf sind identisch. Was ist also anders?“ Sammeln Sie ein paar Antworten. Dann legen sich die Lernenden auf zwei Vorhersagen fest, auf Papier oder am Link:
- V1. „Wenn ein Feststoff schmilzt, dann … werden seine Teilchen größer / brechen seine Teilchen aus festen Plätzen aus und gleiten aneinander vorbei, noch dicht beieinander / verteilen sich seine Teilchen weit und füllen den Behälter / hören seine Teilchen auf, sich zu bewegen.“
- V2. „Neon, Argon, Sauerstoff und Wasser beginnen alle als Feststoff. Welcher muss auf die höchste Temperatur erhitzt werden, bevor er zum Gas wird?“
Rechnen Sie bei V1 damit, dass einige „die Teilchen werden größer“ sagen. Korrigieren Sie noch niemanden.
2. Fest, flüssig, gasförmig (12 Minuten)
Auf dem Bildschirm Zustände stellen die Paare die Heizung auf etwa 30 % Heizen und sehen zu, wie sich Argon ab etwa 25 K erwärmt. Sie halten mit Pause an, sobald sich die Statuszeile ändert, und schreiben einen Satz zur Bewegung:
| Argon | Temperatur (etwa) | Was die Teilchen tun |
|---|---|---|
| Fest | unter 42 K | schwingen in einem regelmäßigen Muster um feste Plätze |
| Flüssig | 42–78 K | gleiten aneinander vorbei, bleiben aber unten zusammen |
| Gasförmig | über 78 K | fliegen frei und stoßen an jede Wand |
Heizen Sie weiter. Über etwa 239 K öffnet sich der Deckel von selbst, und Teilchen entweichen; die Anzeige zählt sie. Die Heizung stoppt bei etwa 359 K. Kühlen Sie den Behälter dann wieder ab und sehen Sie zu, wie das Gas kondensiert und der Feststoff sich neu bildet.
Fragen Sie: „Ist ein Teilchen größer geworden?“ Nein. Nur Bewegung und Abstand haben sich geändert. Prüfen Sie jetzt V1.
3. Dieselbe Heizung, verschiedene Stoffe (10 Minuten)
Die Wahl eines Stoffes startet den Behälter neu als Feststoff. Die Paare erhitzen jeden Stoff vom Feststoff aus und notieren die Temperatur, bei der die Statuszeile zum ersten Mal „Gas“ sagt:
| Stoff | Als flüssig bezeichnet ab | Als gasförmig bezeichnet ab | Tiefe der Potentialmulde |
|---|---|---|---|
| Neon | etwa 13 K | etwa 23 K | 3,10 meV |
| Sauerstoff | etwa 39 K | etwa 73 K | 9,70 meV |
| Argon | etwa 42 K | etwa 78 K | 10,30 meV |
| Wasser | etwa 138 K | etwa 256 K | 34,00 meV |
Lassen Sie die letzte Spalte auf der Schülerkopie leer; sie stammt aus Schritt 4. Neon kommt zuerst, Wasser mit großem Abstand zuletzt. Prüfen Sie V2.
Hinweis: Echter Sauerstoff siedet bei 90 K, knapp über den 87 K von Argon, das Modell vertauscht diese beiden also. Starke Lernende entdecken das gern.
4. Wechselwirkungspotential: warum Siedepunkte verschieden sind (10 Minuten)
Öffnen Sie Wechselwirkungspotential. Alle vier Kurven teilen sich ein Diagramm. Die Anzeige beginnt mit „Argon · r = 380 pm · U = −10,28 meV“. Die Lernenden ziehen Abstand r, um den tiefsten Punkt jeder Kurve zu finden:
| Stoff | Tiefster Punkt der Mulde | U am tiefsten Punkt |
|---|---|---|
| Neon | 308 pm | −3,10 meV |
| Argon | 383 pm | −10,30 meV |
| Sauerstoff | 388 pm | −9,70 meV |
| Wasser | 354 pm | −34,00 meV |
Fragen, die Sie stellen können:
- „Was geschieht mit U, wenn du die Teilchen weiter auseinanderziehst als der tiefste Punkt der Mulde?“ Es steigt gegen null: Sie ziehen sich an, und man muss Arbeit leisten, um sie zu trennen.
- „Und wenn du sie näher zusammenschiebst?“ U schnellt nach oben: Sie stoßen sich ab.
- „Wie viel mal tiefer ist die Mulde von Wasser als die von Neon?“ 34,00 ÷ 3,10 ≈ 11. Eine tiefere Mulde bedeutet, dass mehr Energie nötig ist, um Teilchen auseinanderzuziehen, also ist der Siedepunkt höher.
Haken Sie Mittleren Abstand aus dem Bildschirm Zustände markieren an, während der Bildschirm Zustände einen Feststoff hält. Die Markierung landet nahe am tiefsten Punkt der Mulde: In einem Feststoff sitzen die Teilchen etwa dort, wo sich Anziehung und Abstoßung die Waage halten.
5. Phasenübergänge: das Gas zusammendrücken (8 Minuten)
Öffnen Sie Phasenübergänge. Er hat seine eigenen 40 Teilchen, die als Feststoff beginnen, also heizen Sie sie, bis sie den Behälter füllen. Die Paare ziehen den Kolben langsam nach unten und beobachten die Anzeige. Der Druck steigt, weil die Teilchen häufiger an die Wände stoßen. Dann heizen sie bei tief stehendem Kolben. Über etwa 59 atm platzt der Behälter mit „💥 Geplatzt — Überdruck!“, und Bildschirm zurücksetzen bringt einen neuen. Geben Sie zwei Minuten freies Spiel und fragen Sie dann: „Warum lässt ein heißes Gas den Behälter früher platzen als ein kaltes?“
6. Abschlusskontrolle (5 Minuten)
Nutzen Sie die Fragen 3–5 des Sets unten. Öffnen Sie dann Antworten ansehen und zeigen Sie die Spalten Vorhersage und Nachher für V1 und V2 nebeneinander. Der Leitfaden zur formativen Bewertung zeigt, wie Sie diese Spalten über Klassen hinweg lesen.
Fragenset für diese Stunde
Geben Sie diese Fragen auf dem Tab Fragen der Simulation ein. Vorgeschlagene Anleitung für Schüler: „Beginne auf dem Bildschirm Zustände. Die Wahl eines Stoffes startet den Behälter neu als Feststoff. Temperaturen flackern, lies sie also als ungefähre Werte ab.“
1. Multiple Choice · Vorher, als Vorhersage · Nach der Simulation noch einmal fragen
- Frage: „Was geschieht mit den Teilchen, wenn ein Feststoff schmilzt?“
- Optionen: Sie werden größer / Sie brechen aus festen Plätzen aus und gleiten aneinander vorbei, noch dicht beieinander (richtig) / Sie verteilen sich weit und füllen den Behälter / Sie hören auf, sich zu bewegen
- Erklärung: „Die Teilchen bleiben gleich groß. Heizen macht sie schneller, bis sie aus dem regelmäßigen Muster ausbrechen. In einer Flüssigkeit berühren und ziehen sie sich noch an, können aber aneinander vorbeigleiten. Sich auszubreiten und den Behälter zu füllen geschieht erst, wenn die Flüssigkeit siedet.“
2. Multiple Choice · Vorher, als Vorhersage · Nach der Simulation noch einmal fragen
- Frage: „Neon, Argon, Sauerstoff und Wasser beginnen alle als Feststoff. Welcher muss auf die höchste Temperatur erhitzt werden, bevor er zum Gas wird?“
- Optionen: Neon / Argon / Sauerstoff / Wasser (richtig)
- Erklärung: „Wasserteilchen ziehen sich viel stärker an als die anderen. Ihre Potentialmulde ist 34,00 meV tief gegenüber 3,10 meV bei Neon. Es braucht mehr Energie, um die Teilchen auseinanderzuziehen, daher wird Wasser erst bei einer viel höheren Temperatur zum Gas.“
3. Zahl · Nach der Simulation
- Frage: „Finde auf dem Bildschirm Wechselwirkungspotential den tiefsten Punkt der Mulde für Wasser und für Neon. Wie viel mal tiefer ist die Mulde von Wasser?“
- Antwort: 11, Toleranz ± 0,5
- Erklärung: „Der tiefste Punkt der Mulde von Wasser liegt bei U = −34,00 meV und der von Neon bei U = −3,10 meV. 34,00 ÷ 3,10 ≈ 11. Die Anziehung zwischen Wasserteilchen ist in diesem Modell etwa elfmal stärker.“
4. Multiple Choice · Nach der Simulation
- Frage: „Auf dem Bildschirm Phasenübergänge drückst du den Kolben auf ein heißes Gas hinunter. Was geschieht mit dem Druck?“
- Optionen: Er sinkt / Er bleibt gleich / Er steigt, und der Behälter kann platzen (richtig) / Er fällt auf null
- Erklärung: „Dieselben Teilchen haben nun weniger Platz, stoßen also häufiger an die Wände, und der Druck steigt. Ein heißes Gas drückt stärker, weil seine Teilchen schneller sind. Über etwa 59 atm platzt der Behälter in der Simulation.“
5. Kurzantwort · Nach der Simulation
- Frage: „Erkläre mit dem Teilchenmodell, warum Wasser bei einer höheren Temperatur siedet als Neon.“
- Akzeptierte Antworten (optional): leer lassen und die Antworten selbst lesen.
- Musterantwort: „Sieden bedeutet, dass sich die Teilchen schnell genug bewegen, um der Anziehung ihrer Nachbarn zu entkommen. Wasserteilchen ziehen sich viel stärker an als Neonteilchen (eine tiefere Potentialmulde), also müssen sie schneller sein, was eine höhere Temperatur bedeutet, bevor sie sich lösen.“
Die Fragen 1 und 2 sind die Vorhersagen, die nach der Simulation noch einmal gestellt werden. Mehr zum Schreiben solcher Fragen lesen Sie unter gute Fragen für virtuelle Labore schreiben.
Vertiefung: die Heizkurve
Die zweite Simulation zeigt, was ein Thermometer bei einem Zustandswechsel aufzeichnet. Sie ist einfacher, nutzt °C und passt zu den Klassen 6–7.
Sie öffnet mit Wasser bei 20 °C und beginnt sofort zu heizen, mit 15 °C pro Sekunde. Die Lernenden sehen Teilchen und Temperatur-Zeit-Diagramm gemeinsam an:
- Nach etwa 5,3 Sekunden erreicht das Wasser 100 °C.
- Das Diagramm bleibt 2,5 Sekunden lang bei 100 °C flach, während die Teilchen nacheinander zu Gas werden.
- Dann steigt die Temperatur wieder.
Drücken Sie Abkühlen, um es rückwärts laufen zu lassen: Kondensieren bei 100 °C, dann Gefrieren bei 0 °C, jeweils mit eigenem flachem Abschnitt. Drücken Sie Halten auf dem flachen Abschnitt und fragen Sie: „Die Heizung war die ganze Zeit an. Wohin ging die Energie?“ Sie ging in das Auseinanderziehen der Teilchen, nicht in ihre Beschleunigung.
Nutzen Sie dann den Regler T:, um die vier Stoffe bei derselben Temperatur zu vergleichen:
| Stoff | Schmilzt | Siedet | Zustand bei −50 °C | Zustand bei −200 °C |
|---|---|---|---|---|
| Wasser | 0 °C | 100 °C | fest | fest |
| Ethanol | −114 °C | 78 °C | flüssig | fest |
| Quecksilber | −39 °C | 357 °C | fest | fest |
| Sauerstoff | −219 °C | −183 °C | gasförmig | flüssig |
Eine Einschränkung zur Diskussion: Beide flachen Abschnitte dauern für jeden Stoff 2,5 Sekunden. Echtes Wasser braucht etwa siebenmal mehr Energie zum Sieden als zum Schmelzen, daher müsste sein Siedeplateau viel länger sein.
Differenzierung
Unterstützung:
- Nutzen Sie auf dem Bildschirm Zustände nur Argon und Wasser und die Buttons Fest, Flüssig und Gas statt des Reglers.
- Geben Sie Satzanfänge vor: „Im Feststoff sind die Teilchen … Als ich ihn erhitzt habe, …“
- Beginnen Sie mit der Simulation zur Heizkurve, die °C nutzt und jeden Zustandswechsel beschriftet.
Erweiterung:
- Erklären Sie, warum die Temperatur auch bei ausgeschalteter Heizung flackert.
- Vergleichen Sie die Bezeichnungen des Modells mit echten Siedepunkten (Neon 27 K, Argon 87 K, Sauerstoff 90 K, Wasser 373 K). Was trifft das Modell richtig, und was nicht?
Lernende mit Deutsch als Zweitsprache: Die Simulation gibt es in sechs Sprachen. Erstellen Sie einen zweiten Link in der Sprache der Lernenden, damit die Beschriftungen vertraut sind, während die Diskussion auf Deutsch bleibt.
Zuordnung zu Standards
Diese Stunde entspricht dem US-Standard NGSS MS-PS1-4: ein Modell entwickeln, das Änderungen von Teilchenbewegung, Temperatur und Zustand eines reinen Stoffes bei Zufuhr oder Entzug von Wärmeenergie vorhersagt und beschreibt. Sie passt zum Thema Teilchenmodell in der Sekundarstufe I und in die Einführung in die Chemie der Oberstufe.
Weitere Chemie-Aktivitäten finden Sie unter Ideen für interaktiven Chemieunterricht. Für Abläufe wie Partnerarbeit und Projektor-Demos lesen Sie interaktive Simulationen im Unterricht nutzen. Um die Schritte 1–2 als vollständigen Zyklus aus Vorhersagen, Beobachten und Erklären durchzuführen, lesen Sie Vorhersagen, Beobachten und Erklären mit Simulationen.
Häufige Fragen
Warum nutzt die Simulation Kelvin?
Die Teilchenbewegung hängt von der absoluten Temperatur ab, und die Stoffe hier wechseln ihren Zustand weit unter 0 °C. Geben Sie den Lernenden die Regel „Kelvin = °C + 273“. Die Vertiefung mit der Heizkurve nutzt °C, wenn Ihre Klasse noch nicht so weit ist.
Warum liegen die Teilchen am Boden des Behälters?
Die Simulation fügt etwas Schwerkraft hinzu, sodass sich eine Flüssigkeit wie eine echte absetzt. Das Gas füllt weiterhin den ganzen Behälter.
Können die Lernenden Smartphones nutzen?
Ja. Die Lernenden öffnen den Link ohne Konto, und Regler, Buttons und Kolben funktionieren auf Touchscreens. Wasser hat am meisten zu berechnen, daher läuft es auf einem älteren Smartphone eventuell etwas langsamer.