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Physik

Wärme und Temperatur: warum sich nicht alles gleich warm anfühlt

Beitragsautor Von admin
Beitragsdatum Oktober 18, 2026

Ein Metalllöffel und ein Holzlöffel liegen seit Stunden im selben Zimmer. Trotzdem fühlt sich das Metall kälter an. Dein Gefühl allein verrät also nicht zuverlässig die Temperatur. Der Unterschied liegt vor allem darin, wie schnell Energie zwischen deiner Hand und dem Material übertragen wird.

1. Temperatur ist nicht dasselbe wie Wärme

Begriff	Was ist gemeint?	Beispiel
Temperatur	Eine Zustandsgröße; sie hängt mit der ungeordneten Bewegung der Teilchen zusammen.	Das Wasser hat 40 °C.
Innere Energie	Energie der mikroskopischen Bewegung und Wechselwirkungen der Teilchen eines Körpers.	Eine große Wassermenge kann bei gleicher Temperatur mehr innere Energie besitzen als eine kleine.
Wärme Q	Energie, die wegen eines Temperaturunterschieds übertragen wird.	Vom warmen Wasser gelangt Energie zum kühleren Becher.

Ohne zusätzliche technische Arbeit wird netto Energie vom wärmeren zum kälteren Körper übertragen. Bei ausreichendem Kontakt gleichen sich ihre Temperaturen an. Alltagssprachlich sagen wir oft, ein Körper „enthält Wärme“. Fachlich genauer: Er besitzt innere Energie; Wärme bezeichnet einen Übertragungsvorgang.

Im einfachen Teilchenmodell bedeutet eine höhere Temperatur eine stärkere ungeordnete Teilchenbewegung. Daraus folgt aber nicht, dass Temperatur und gesamte innere Energie dasselbe sind. Auch Stoffart, Stoffmenge und Zustand spielen eine Rolle.

Die SI-Einheit der Temperatur ist Kelvin (K). Es gilt T in K = Temperatur in °C + 273,15. Für Temperaturunterschiede ist es einfacher: Eine Erwärmung um 10 °C entspricht einer Änderung um 10 K.

2. Drei Wege der Wärmeübertragung

Weg	Erklärung	Alltagsbeispiel
Wärmeleitung	Energie wird innerhalb eines Stoffes oder zwischen berührenden Körpern weitergegeben, ohne dass das Material als Ganzes mitströmt.	Ein Metalllöffel wird im heißen Tee am Griff warm.
Wärmeströmung (Konvektion)	Bewegte Flüssigkeiten oder Gase transportieren Energie.	Erwärmte Luft steigt über einem Heizkörper auf.
Wärmestrahlung	Elektromagnetische Strahlung überträgt Energie; dafür ist kein Stoff als Transportmittel nötig.	Sonnenstrahlung gelangt durch das nahezu luftleere Weltall zur Erde.

Metall leitet Wärme meist wesentlich besser als Holz. Bei Zimmertemperatur ist deine Hand normalerweise wärmer als beide Löffel. Metall führt der Hand schneller Energie ab und fühlt sich deshalb kälter an. Mit einem geeigneten Thermometer könntest du trotzdem annähernd dieselbe Temperatur messen.

Natürliche Konvektion entsteht häufig durch Dichteunterschiede: Erwärmte Luft dehnt sich bei gleichem Druck aus, hat eine geringere Dichte und steigt in kühlerer Umgebung auf. Ein Ventilator kann eine Strömung auch erzwingen. „Wärme steigt nach oben“ ist daher zu ungenau: Aufsteigen kann die erwärmte Luft.

3. Wie viel Energie braucht warmes Wasser?

Ohne Zustandsänderung lässt sich die benötigte Energie näherungsweise mit Q = m · c · ΔT berechnen. Dabei ist m die Masse, c die spezifische Wärmekapazität und ΔT die Temperaturänderung. Wir nehmen c im betrachteten Bereich als konstant an.

Für Wasser kannst du mit c ≈ 4,2 kJ/(kg · K) rechnen. Das bedeutet: Um 1 kg Wasser um 1 K zu erwärmen, sind ungefähr 4,2 kJ nötig. 1 kJ sind 1 000 J.

Ein Heizgerät mit 1 000 W würde diese Energie idealisiert in t = E / P = 84 000 J / 1 000 W = 84 s liefern. In Wirklichkeit werden auch Gefäß und Umgebung erwärmt. Deshalb benötigt das Gerät für diese Wassererwärmung mehr elektrische Energie und bei gleicher Leistung entsprechend länger.

4. Schmelzen und Verdampfen brauchen ebenfalls Energie

Erwärmst du Eis, steigt zunächst seine Temperatur. Beim Schmelzen eines reinen Stoffes unter konstantem Druck bleibt die Temperatur während des Übergangs gleich, obwohl weiter Energie zugeführt wird. Die Energie verändert die Anordnung und die Wechselwirkungen der Teilchen. Erst wenn das Eis vollständig geschmolzen ist, kann die Temperatur des flüssigen Wassers weiter steigen.

Übergang	Bezeichnung	Energieaustausch
fest → flüssig	Schmelzen	Energie wird aufgenommen.
flüssig → fest	Erstarren	Energie wird abgegeben.
flüssig → gasförmig	Verdampfen	Energie wird aufgenommen.
gasförmig → flüssig	Kondensieren	Energie wird abgegeben.

Wasser siedet bei normalem Luftdruck ungefähr bei 100 °C. Bei geringerem Druck liegt die Siedetemperatur niedriger. Verdunstung ist auch unterhalb der Siedetemperatur möglich und geschieht an der Oberfläche. So kann nasse Wäsche trocknen; auf der Haut kann verdunstender Schweiß kühlen.

Beim Verdampfen werden Wassermoleküle voneinander getrennt; sie werden nicht in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Es handelt sich um eine Zustandsänderung, nicht um diese chemische Zerlegung.

5. Eine Besonderheit des Wassers

Flüssiges Wasser hat bei gewöhnlichem Druck seine größte Dichte bei ungefähr 4 °C. Eis besitzt eine geringere Dichte als flüssiges Wasser und schwimmt. Ein See kann deshalb von oben zufrieren; unter der Eisdecke bleibt oft flüssiges Wasser als Lebensraum erhalten. Hier verbindet sich Wärmelehre mit Ökologie.

Üben: wissen, anwenden, erklären

Warum ist die Aussage „Der Metalllöffel ist kälter, weil er sich kälter anfühlt“ ohne Messung nicht zuverlässig?
Ordne zu: Ein warmer Luftstrom aus einem Föhn; ein Topfgriff aus Metall wird heiß; Sonnenlicht erwärmt die Haut.
Wie viel Energie braucht man näherungsweise, um 2,0 kg Wasser von 15 °C auf 35 °C zu erwärmen? Nutze c = 4,2 kJ/(kg · K).
Während reines Eis bei konstantem Druck schmilzt, wird weiter Energie zugeführt. Warum steigt die Temperatur dabei nicht?
Ein Gerät nimmt 100 kJ elektrische Energie auf; 84 kJ davon erwärmen das untersuchte Wasser. Berechne den Wirkungsgrad für diesen Zweck und erkläre den Verbleib der restlichen Energie.

Lösungen anzeigen

Das Gefühl hängt auch vom Energietransport ab. Metall führt der wärmeren Hand schneller Energie ab als Holz. Beide Löffel können trotzdem dieselbe Temperatur haben.
Föhn: erzwungene Konvektion; Griff: Wärmeleitung; Sonnenlicht: Strahlung. In realen Situationen können mehrere Übertragungswege gleichzeitig auftreten.
ΔT = 35 °C − 15 °C = 20 K. Q = 2,0 kg · 4,2 kJ/(kg · K) · 20 K = 168 kJ.
Die Energie wird für den Zustandsübergang benötigt: Anordnung und Wechselwirkungen der Teilchen ändern sich. Sie erhöht während des Schmelzens nicht die Temperatur.
η = 84 kJ / 100 kJ = 0,84 = 84 %. Die übrigen 16 kJ sind nicht verschwunden, sondern haben beispielsweise Gefäß, Gerät und Umgebung erwärmt.

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Physik

Strom, Spannung und Widerstand: elektrische Schaltungen verstehen

Beitragsautor Von admin
Beitragsdatum Oktober 18, 2026

Deine Fahrradlampe leuchtet nur, wenn Energie zu ihr gelangt und ein geschlossener Stromkreis vorhanden ist. Doch was bedeuten Angaben wie 6 V, 0,3 A und 20 Ω? Hier lernst du die drei wichtigsten elektrischen Größen und wendest sie auf einfache Gleichstromkreise an.

1. Ein Stromkreis braucht einen geschlossenen Weg

In Metalldrähten gibt es bewegliche Elektronen. Wird ein leitender Weg zwischen den Polen einer Batterie geschlossen, können sich Ladungen gerichtet bewegen: Es fließt elektrischer Strom. Ein offener Schalter unterbricht diesen Weg.

Die Batterie wandelt chemische Energie in elektrische Energie um. In der Lampe wird elektrische Energie vor allem in Wärme und teilweise in Licht umgewandelt. Die Ladung wird dabei nicht verbraucht. In einem unverzweigten Stromkreis ist die Stromstärke vor und nach der Lampe gleich.

Die vereinbarte technische Stromrichtung verläuft im äußeren Stromkreis vom Pluspol zum Minuspol. Elektronen bewegen sich im Metalldraht in die entgegengesetzte Richtung. Beide Beschreibungen widersprechen sich nicht: Elektronen tragen negative Ladung.

2. Drei Größen, drei verschiedene Fragen

Größe	Bedeutung	Einheit
Stromstärke I	Wie viel elektrische Ladung passiert einen Leiterquerschnitt pro Zeit?	Ampere (A)
Spannung U	Wie viel Energie wird pro Ladungsmenge zwischen zwei Punkten übertragen?	Volt (V)
Widerstand R	Wie groß ist das Verhältnis von Spannung zu Stromstärke an einem Bauteil?	Ohm (Ω)

Du misst eine Spannung zwischen zwei Punkten und eine Stromstärke durch einen Zweig. Auch an einer nicht angeschlossenen Batterie kann eine Spannung anliegen, obwohl kein Strom durch einen äußeren Stromkreis fließt.

Für Rechnungen müssen die Einheiten passen: 1 A = 1 000 mA. Deshalb sind 250 mA = 0,250 A. Diese Umrechnung ist eine häufige Fehlerquelle.

3. Mit Widerstand, Spannung und Strom rechnen

Für einen ohmschen Leiter bei gleichbleibender Temperatur bleibt R konstant. Dann gilt: Verdoppelt man U, verdoppelt sich I. Das ist das ohmsche Gesetz. Nicht jedes Bauteil verhält sich so: Ein Glühlampenfaden wird beim Betrieb heiß; sein Widerstand verändert sich. Eine LED hat ebenfalls keine einfache proportionale U-I-Beziehung.

Ein Strommessgerät wird in den betreffenden Stromweg in Reihe eingefügt. Ein Spannungsmessgerät wird parallel an die beiden Anschlüsse des untersuchten Bauteils gelegt. Ein falsch parallel angeschlossenes Strommessgerät kann einen Kurzschluss verursachen.

4. Reihe und parallel: Wo kann die Ladung entlang?

Reihe: ein Weg

Pluspol → R₁ → R₂ → Minuspol

Durch beide Widerstände fließt derselbe Strom.

Parallel: zwei Zweige

Am Pluspol teilt sich der Strom auf:

Zweig 1: durch R₁ zum Minuspol
Zweig 2: durch R₂ zum Minuspol

Beide Widerstände liegen an derselben Spannung.

Stromwege vereinfacht dargestellt. Die Spannungsquelle verbindet die beiden Pole zum vollständigen Stromkreis; dies ist kein normgerechter Schaltplan.

Vergleich	Reihenschaltung	Parallelschaltung
Stromstärke	I ist überall gleich.	I_gesamt = I₁ + I₂
Spannung	U_gesamt = U₁ + U₂	U ist an beiden Zweigen gleich.
Gesamtwiderstand	R_gesamt = R₁ + R₂	1/R_gesamt = 1/R₁ + 1/R₂
Ein Zweig wird unterbrochen	Der einzige Stromweg ist unterbrochen.	Der andere Zweig kann weiter Strom führen.

Beispiel mit einer idealen 6-V-Quelle und zwei Widerständen von je 20 Ω: In Reihe ergeben sich 40 Ω und I = 6 V / 40 Ω = 0,15 A. An jedem Widerstand liegen 3 V. Parallel liegen an jedem Widerstand 6 V; je Zweig fließen 0,30 A. Insgesamt sind es 0,60 A, der Gesamtwiderstand beträgt 10 Ω.

An diesen Zahlen erkennst du: Ein zusätzlicher paralleler Stromweg verkleinert den Gesamtwiderstand. Die Stromstärke aus der Quelle nimmt bei gleichbleibender Spannung zu. Im Modell vernachlässigen wir den Widerstand der Leitungen und den Innenwiderstand der Quelle.

5. Leistung und Energie

Für elektrische Leistung gilt P = U · I. Bei 6 V und 0,30 A werden P = 1,8 W umgesetzt. Leistung beschreibt die Energieumwandlung pro Zeit. Läuft das Gerät 10 Minuten, dann sind das 600 s und E = P · t = 1,8 W · 600 s = 1 080 J. Mehr dazu findest du bei Energie, Arbeit und Leistung.

Beim Ausprobieren: Verwende nur geeignete Schulmaterialien mit kleinen Batteriespannungen, zum Beispiel 4,5 V, und passende Lämpchen. Verbinde Batteriepole niemals direkt: Auch eine kleine Batterie kann bei einem Kurzschluss heiß werden. Steckdosen und geöffnete Netzgeräte sind keine Experimentiermaterialien.

Üben: wissen, anwenden, erklären

In einem unverzweigten Stromkreis werden vor einer Lampe 0,20 A gemessen. Welche Stromstärke erwartest du dahinter? Begründe.
Ein Widerstand liegt an 12 V; es fließen 200 mA. Berechne R.
Zwei Widerstände von 30 Ω liegen in Reihe an 12 V. Bestimme Gesamtwiderstand, Stromstärke und Spannung an jedem Widerstand.
Dieselben Widerstände werden parallel an 12 V angeschlossen. Berechne die Stromstärke je Zweig und insgesamt.
Eine kleine Lampe wird mit 6 V und 0,25 A betrieben. Berechne ihre Leistung und die umgewandelte Energie in zwei Minuten.

Lösungen anzeigen

0,20 A. Im unverzweigten, stationären Stromkreis wird keine Ladung verbraucht oder dauerhaft angesammelt.
200 mA = 0,200 A. R = 12 V / 0,200 A = 60 Ω.
Rgesamt = 30 Ω + 30 Ω = 60 Ω. I = 12 V / 60 Ω = 0,20 A. An jedem Widerstand: U = 30 Ω · 0,20 A = 6 V.
Je Zweig: I = 12 V / 30 Ω = 0,40 A. Insgesamt: 0,40 A + 0,40 A = 0,80 A.
P = 6 V · 0,25 A = 1,5 W. Zwei Minuten sind 120 s. E = 1,5 W · 120 s = 180 J.

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Wohin geht die Energie? Wärme und Temperatur · Elektronen im Atombau · Zur Physik-Übersicht

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Chemie

Säuren, Basen und pH-Wert: vom Essig zur Neutralisation

Beitragsautor Von admin
Beitragsdatum Oktober 18, 2026

Das lernst du: Du ordnest wässrige Lösungen mit dem pH-Wert ein, erklärst die Aufgabe von Indikatoren und beschreibst eine Neutralisation. Vorwissen: Atome und Ionen.

Sauer ist eine chemische Eigenschaft

Essig enthält Essigsäure, Zitronensaft unter anderem Citronensäure. Seifenlösungen reagieren häufig basisch. In der Chemie prüft man solche Eigenschaften mit geeigneten Messmitteln, nicht durch Probieren. Auch basische Lösungen können ätzend sein.

Eine Säure kann nach dem Brønsted-Modell ein Proton (H⁺) abgeben; eine Base kann eines aufnehmen. In Wasser führt die Protonenabgabe einer Säure zur Bildung von Oxonium-Ionen H₃O⁺. In basischen wässrigen Lösungen überwiegen gegenüber den Oxonium-Ionen die Hydroxid-Ionen OH⁻.

Beispiel: Chlorwasserstoff überträgt ein Proton auf Wasser. Es entstehen Oxonium- und Chlorid-Ionen:
HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻.
Die wässrige Lösung von Chlorwasserstoff heißt Salzsäure.

Die pH-Skala lesen

sauer
pH < 7
z. B. verdünnter Essig

neutral
pH = 7
reines Wasser

basisch
pH > 7
z. B. Seifenlösung

Einteilung wässriger Lösungen bei etwa 25 °C. Die Farben markieren Bereiche und sind keine verbindliche Indikatorfarbskala.

Der pH-Wert beschreibt, wie sauer oder basisch eine wässrige Lösung ist. Die in der Schule häufig dargestellte Skala reicht von 0 bis 14; das sind jedoch keine absoluten Grenzen. Bei sehr konzentrierten Lösungen sind auch Werte außerhalb dieses Bereichs möglich. Für unsere einfachen Vergleiche betrachten wir verdünnte Lösungen bei ungefähr 25 °C.

Lösung	Typischer Bereich	Was du beachten solltest
Zitronensaft oder Haushaltsessig	sauer, pH unter 7	Der genaue Wert hängt von Produkt und Konzentration ab.
Reines Wasser bei 25 °C	neutral, pH 7	Wasser aus der Leitung kann davon abweichen.
Viele Seifenlösungen	basisch, pH über 7	Nicht jedes Reinigungsmittel reagiert basisch.

Eine pH-Stufe ist ein Faktor zehn

Bei verdünnten Lösungen bedeutet eine Abnahme um eine pH-Einheit näherungsweise eine zehnmal so große Oxonium-Ionen-Konzentration. Eine Lösung mit pH 3 enthält daher ungefähr zehnmal so viele Oxonium-Ionen pro Volumen wie eine mit pH 4 – und hundertmal so viele wie eine mit pH 5.

Für diese Vergleiche brauchst du keinen Logarithmus auszurechnen. Zähle die pH-Schritte und multipliziere je Schritt mit zehn. Aus dem pH-Wert allein folgt aber weder die gesamte Säuremenge noch die Gefährlichkeit eines Stoffgemischs.

Indikatoren machen Unterschiede sichtbar

Ein Säure-Base-Indikator verändert abhängig vom pH-Wert seine Farbe. Universalindikator oder pH-Papier erlauben eine grobe Einordnung, ein geeignetes pH-Messgerät kann genauer messen. Die angezeigte Farbe wird mit der zugehörigen Skala verglichen. Verschiedene Indikatoren haben unterschiedliche Farben und Umschlagsbereiche.

Rotkohlsaft enthält Farbstoffe, deren Farbe vom pH-Wert abhängt. Als einfache Beobachtung eignen sich getrennte kleine Proben aus Wasser, verdünntem Haushaltsessig und einer Natronlösung. Verwende nur bekannte Küchenstoffe, keine Reiniger; die Proben werden nicht getrunken. Farbunterschiede zeigen hier zunächst eine Änderung der Bedingungen an, noch keinen exakten Messwert.

Neutralisation auf Teilchenebene

Bei der Reaktion einer sauren Lösung mit einer passenden Menge einer Hydroxidlösung reagieren Oxonium- und Hydroxid-Ionen zu Wasser:

Ein bekanntes Beispiel ist Salzsäure mit Natronlauge. Verkürzt schreibt man:
HCl + NaOH → NaCl + H₂O.
In der entstandenen Lösung bleiben Natrium- und Chlorid-Ionen gelöst. Das Salz verschwindet also nicht. Die Reaktion setzt Wärme frei.

Gleiche Volumina ergeben nicht automatisch eine neutrale Mischung. Entscheidend sind Art und Menge der reagierenden Teilchen. Bei 10 ml Salzsäure und 10 ml Natronlauge gleicher Konzentration passen die Mengen im einfachen Beispiel zusammen. Ist die Säure doppelt so konzentriert, reichen diese 10 ml Lauge nicht aus.

Bei einer starken Säure und einer starken Base liegt die Mischung bei passenden Stoffmengen und 25 °C ungefähr bei pH 7. Bei schwachen Säuren oder Basen liegt der Äquivalenzpunkt – der Punkt mit genau passenden reagierenden Stoffmengen – nicht unbedingt bei pH 7. „Neutralisation“ bedeutet daher nicht, dass jede beliebige Mischung automatisch neutral wird.

Säurestärke ist nicht dasselbe wie Konzentration

Die Konzentration beschreibt, wie viel eines Stoffes in einem bestimmten Volumen enthalten ist. Die Säurestärke beschreibt, wie bereitwillig eine Säure Protonen abgibt. Eine schwache Säure kann konzentriert vorliegen, eine starke stark verdünnt. Verdünnen und Neutralisieren sind ebenfalls verschiedene Vorgänge: Beim Verdünnen kommt Lösungsmittel hinzu; beim Neutralisieren reagieren Säure und Base miteinander.

Im Alltag nutzt man saure Stoffe beispielsweise zum Lösen von Kalk. Daraus folgt keine Erlaubnis, Reinigungsmittel zu mischen: Besonders chlorhaltige Reiniger dürfen nicht mit Säuren zusammengebracht werden, weil gefährliche Gase entstehen können.

Üben: wissen, anwenden, erklären

Ordne pH 2, pH 7 und pH 11 bei 25 °C den Bereichen sauer, neutral und basisch zu.
Wie unterscheidet sich näherungsweise die Oxonium-Ionen-Konzentration bei pH 2 und pH 4?
Warum neutralisieren 20 ml einer Säure nicht zwangsläufig 20 ml einer Lauge?
Kontrolliere in H₃O⁺ + OH⁻ → 2 H₂O die Atome und die Gesamtladung.
Was unterscheidet Verdünnen von Neutralisieren?

Lösungen anzeigen

pH 2: sauer; pH 7: neutral; pH 11: basisch.
Bei pH 2 ist sie ungefähr 100-mal größer als bei pH 4.
Art und Konzentration der Lösungen bestimmen die reagierenden Mengen. Das Volumen allein genügt nicht.
Beide Seiten enthalten vier H- und zwei O-Atome. Links ergeben +1 und −1 zusammen null; rechts sind die Wassermoleküle ungeladen.
Beim Verdünnen wird Lösungsmittel hinzugefügt. Beim Neutralisieren findet eine Säure-Base-Reaktion statt.

Weiterlernen: Reaktionsgleichungen und Energieumsatz · Chemie-Übersicht

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Chemie

Atombau und Periodensystem: die Ordnung der Elemente

Beitragsautor Von admin
Beitragsdatum Oktober 18, 2026

Das lernst du: Du bestimmst Protonen-, Neutronen- und Elektronenzahlen, unterscheidest Atome von Ionen und nutzt Gruppen und Perioden zur Orientierung. Vorwissen: Stoffe und Teilchen.

Ein Atom ist nicht unteilbar

Stoffe bestehen aus Atomen oder aus Teilchen, die aus Atomen aufgebaut sind. Ein Atom besitzt einen sehr kleinen Kern und eine ausgedehnte Elektronenhülle. Im Kern sitzen Protonen und gewöhnlich auch Neutronen. Elektronen gehören zur Hülle. Fast die gesamte Masse des Atoms befindet sich im Kern.

Teilchen	Elektrische Ladung	Ort
Proton	positiv (+1 Elementarladung)	Kern
Neutron	ungeladen	Kern
Elektron	negativ (−1 Elementarladung)	Hülle

Ein neutrales Atom besitzt gleich viele Protonen und Elektronen. Die Ladungen gleichen sich aus. Die Protonenzahl legt fest, welches Element vorliegt. Jedes Atom mit sechs Protonen ist ein Kohlenstoffatom, jedes mit acht Protonen ein Sauerstoffatom.

Ordnungszahl und Massenzahl

Die Ordnungszahl Z ist die Protonenzahl. Bei einem neutralen Atom ist sie zugleich die Elektronenzahl. Die Massenzahl A zählt Protonen und Neutronen zusammen. Daher gilt: Neutronenzahl = A − Z.

Natrium-23: ein neutrales Atom

Elektronenhülle: 11 Elektronen (−)
Schalenbelegung im einfachen Modell: 2 | 8 | 1

Atomkern
11 Protonen (+)
12 Neutronen (neutral)

Ordnungszahl 11 = Protonenzahl. Massenzahl 23 = 11 + 12. Das Schema zeigt Bestandteile, keine realen Größenverhältnisse oder Elektronenbahnen.

Beispiel: Natrium-23 besitzt Z = 11 und A = 23. Daraus folgen 11 Protonen, 23 − 11 = 12 Neutronen und – beim neutralen Atom – 11 Elektronen. Die Zahl hinter dem Elementnamen bezeichnet hier die Massenzahl.

Die meist nicht ganzzahlige Atommasse in einem Periodensystem ist etwas anderes: Sie berücksichtigt die Massen und Häufigkeiten der natürlich vorkommenden Isotope. Man darf sie nicht einfach mit der Massenzahl eines bestimmten Atoms gleichsetzen.

Isotope: gleiches Element, unterschiedliche Neutronenzahl

Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-14 besitzen beide sechs Protonen. Das erste hat sechs, das zweite acht Neutronen. Solche Atome heißen Isotope. Da ihre Protonenzahl gleich ist, gehören sie zum selben Element. Ihre Masse unterscheidet sich. Manche Isotope sind radioaktiv, andere stabil; „Isotop“ bedeutet nicht automatisch „radioaktiv“.

Das Schalenmodell – nützlich, aber vereinfacht

Im Schalenmodell werden Elektronen bestimmten Energieniveaus zugeordnet. Für die ersten 18 Elemente genügt als Einstieg die Besetzung 2 Elektronen in der ersten, bis zu 8 in der zweiten und bis zu 8 in der dritten Schale. So erhält man etwa Sauerstoff: 2 | 6; Natrium: 2 | 8 | 1; Chlor: 2 | 8 | 7.

Die Schalen sind keine festen Kreisbahnen wie bei Planeten. Das Modell erleichtert den Einstieg, beschreibt Elektronen aber nicht vollständig. Auch die Regel „acht Elektronen außen“ lässt sich nicht unverändert auf alle Elemente anwenden; schon Helium besitzt eine volle Außenschale mit zwei Elektronen.

Perioden und Gruppen lesen

Im Periodensystem	Was du daran ablesen kannst
Ordnungszahl	Zahl der Protonen; zugleich Elektronenzahl beim neutralen Atom.
Periode = waagerechte Reihe	Im einfachen Schalenmodell die Zahl der besetzten Elektronenschalen des neutralen Atoms.
Hauptgruppe = bestimmte senkrechte Spalte	Ähnliche Zahl von Außenelektronen und dadurch oft ähnliche chemische Eigenschaften.
Gruppen 1 und 2 sowie 13 bis 18	Die acht Hauptgruppen in der modernen Nummerierung.

Bei Hauptgruppenelementen entsprechen die Gruppen 1 und 2 einem beziehungsweise zwei Außenelektronen; die Gruppen 13 bis 18 entsprechen drei bis acht. Helium ist die wichtige Ausnahme mit zwei. Natrium steht in Periode 3 und Gruppe 1: drei besetzte Schalen, ein Außenelektron.

Viele Metalle stehen links und in der Mitte, viele Nichtmetalle rechts. Edelgase stehen in Gruppe 18 und reagieren unter üblichen Bedingungen vergleichsweise wenig. Aus der Position lassen sich Zusammenhänge erkennen; genaue Stoffeigenschaften muss man dennoch kennen oder nachschlagen.

Wie aus Atomen Ionen werden

Verliert ein neutrales Atom Elektronen, wird es positiv geladen: ein Kation. Nimmt es Elektronen auf, wird es negativ geladen: ein Anion. Der Kern bleibt dabei unverändert.

Teilchen	Protonen	Elektronen	Ladung
Na	11	11	0
Na⁺	11	10	+1
Cl	17	17	0
Cl⁻	17	18	−1

Natrium kann ein Elektron abgeben, Chlor eines aufnehmen. Die entgegengesetzt geladenen Ionen ziehen sich an und bilden im Kochsalz ein Ionengitter. Bei Molekülen werden Atome hingegen durch gemeinsame Elektronenpaare verbunden. Beides sind Wege zu chemischen Bindungen; ein Kochsalzkristall besteht nicht aus einzelnen NaCl-Molekülen.

Üben: wissen, anwenden, erklären

Ein neutrales Sauerstoff-16-Atom hat Z = 8. Wie viele Protonen, Neutronen und Elektronen besitzt es?
Magnesium hat zwölf Protonen. Wie viele Elektronen besitzt Mg²⁺?
Was haben Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-14 gemeinsam, was unterscheidet sie?
Ein Element steht in Periode 3 und Gruppe 17. Wie lautet seine einfache Schalenbelegung?
Wird ein Natriumatom durch die Abgabe eines Elektrons zu einem anderen Element?

Lösungen anzeigen

8 Protonen, 16 − 8 = 8 Neutronen und 8 Elektronen.
10 Elektronen. Das zweifach positive Ion besitzt zwei Elektronen weniger als Protonen.
Beide haben sechs Protonen und gehören zum Element Kohlenstoff. Sie unterscheiden sich in der Neutronenzahl und damit in der Masse.
2 | 8 | 7. Gemeint ist Chlor mit 17 Elektronen im neutralen Atom.
Nein. Es entsteht Na⁺. Erst eine Änderung der Protonenzahl würde die Elementsorte verändern.

Weiterlernen: Säuren, Basen und pH-Wert · Chemische Reaktionen · Chemie-Übersicht

Quellen und weiterführendes Wissen

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Biologie

Ökosysteme und Nahrungsnetze: Wie Lebewesen zusammenhängen

Beitragsautor Von admin
Beitragsdatum Oktober 18, 2026

Das lernst du: Du beschreibst ein Ökosystem, liest Nahrungsketten und unterscheidest Stoffkreislauf und Energiefluss. Du erklärst außerdem, warum zu viele Nährstoffe einem Gewässer schaden können.

Ein Teich ist mehr als Wasser und Fische

In einem Teich wachsen Pflanzen und Algen, Wasserflöhe fressen Schwebeteilchen, Libellenlarven jagen kleine Tiere, und Mikroorganismen bauen abgestorbene Reste ab. Gleichzeitig wirken Licht, Temperatur, Sauerstoffgehalt und andere Umweltbedingungen. Diese Beziehungen untersucht die Ökologie.

Begriff	Bedeutung	Beispiel
Biotop	Lebensraum mit seinen unbelebten Umweltbedingungen.	Wasser, Bodengrund, Licht und Temperatur eines Teichs.
Biozönose	Lebensgemeinschaft der Organismen eines Lebensraums.	Pflanzen, Tiere, Pilze und Mikroorganismen im Teich.
Ökosystem	Biotop, Biozönose und ihre Wechselwirkungen.	Das gesamte System Teich.
Population	Individuen einer Art in einem abgegrenzten Gebiet zur selben Zeit.	Die Wasserfrösche an diesem Teich.

Abiotische Faktoren gehen von der unbelebten Umwelt aus, etwa Licht oder Temperatur. Biotische Faktoren entstehen durch andere Lebewesen, etwa Nahrung, Fressfeinde, Parasiten oder Konkurrenten.

Wer stellt Nahrung her, wer nutzt sie?

Rolle	Aufgabe	Beispiele
Produzenten	Bauen aus anorganischen Stoffen organische Stoffe auf; in unserem Teich mit Lichtenergie.	Grüne Pflanzen und Algen.
Konsumenten	Nehmen organische Stoffe als Nahrung auf.	Wasserflöhe, Insektenlarven, Fische.
Destruenten	Bauen organische Reste ab und setzen dabei unter anderem anorganische Nährstoffe frei.	Viele Bakterien und Pilze.

Tiere wie Regenwürmer oder manche Insektenlarven zerkleinern organische Reste und unterstützen den Abbau. Die drei Rollen beschreiben die Ernährung im Ökosystem. Auch Produzenten sind lebendig und betreiben Zellatmung.

Nahrungskette lesen – die Pfeilrichtung zählt

Eine solche Nahrungskette ist vereinfacht. Ein Fisch frisst häufig mehrere Beutearten und wird selbst von unterschiedlichen Tieren gefressen. Mehrere verbundene Nahrungsketten bilden ein Nahrungsnetz. Ein Lebewesen kann darin je nach Nahrung verschiedene Positionen einnehmen.

Nimmt die Zahl kleiner Fische zu, können mehr Wasserflöhe gefressen werden. Weniger Wasserflöhe können wiederum bedeuten, dass weniger Algen abgeweidet werden. Das ist eine begründete mögliche Folge, keine sichere Vorhersage: Licht, Nährstoffe und weitere Arten wirken ebenfalls mit.

Stoffe kreisen, Energie fließt

Kohlenstoff wird bei der Fotosynthese aus Kohlenstoffdioxid in organische Stoffe eingebaut. Beim Fressen gelangt er in andere Lebewesen. Durch Zellatmung und Zersetzung gelangt Kohlenstoff wieder in die unbelebte Umwelt. Aus den freigesetzten Stoffen können Produzenten erneut Biomasse aufbauen.

Energie durchläuft keinen entsprechenden Kreislauf. Sie gelangt in dieses Ökosystem überwiegend als Licht. Bei jeder Stufe wird ein Teil für Lebensvorgänge genutzt und schließlich als Wärme abgegeben. Außerdem wird nicht jede Biomasse gefressen oder vollständig verdaut. Für die nächste Nahrungsebene bleibt daher nur ein Teil als neu gebildete Biomasse verfügbar.

Konkurrenz und Zusammenleben

Wenn zwei Organismen eine begrenzte Ressource nutzen, kann Konkurrenz entstehen – etwa um Licht, Nahrung oder Brutplätze. Bei einer Räuber-Beute-Beziehung wird die Beute getötet und gefressen. Parasiten nutzen einen Wirt und schädigen ihn, ohne ihn in der Regel sofort zu töten. Bei einer für beide Seiten vorteilhaften Beziehung profitieren beide Partner, etwa eine Blütenpflanze und ein bestäubendes Insekt.

Warum kann zu viel Dünger einem Teich schaden?

Zusätzliche Nährstoffe, vor allem Stickstoff- und Phosphorverbindungen, können das Wachstum von Algen verstärken.
Trübes Wasser lässt weniger Licht zu tieferen Pflanzen durch.
Absterbende Algen und Pflanzen liefern viel organisches Material für den Abbau.
Beim aeroben Abbau verbrauchen Mikroorganismen Sauerstoff. Wird mehr verbraucht als nachgeliefert, entsteht Sauerstoffmangel.
Fische und andere sauerstoffabhängige Lebewesen können dadurch geschädigt werden oder sterben.

Diese durch Nährstoffanreicherung ausgelöste Entwicklung heißt Eutrophierung. Nährstoffe sind notwendig; problematisch wird ein Überschuss. Eine wirksame Maßnahme setzt deshalb bei den Einträgen an, beispielsweise durch weniger Nährstoffverluste und bewachsene Randstreifen.

Biodiversität und begründetes Bewerten

Biodiversität umfasst die Vielfalt der Arten, die genetische Vielfalt innerhalb von Arten und die Vielfalt der Ökosysteme. Naturschutz bedeutet deshalb mehr als das Zählen auffälliger Tiere. Auch Lebensräume und Verbindungen zwischen ihnen sind wichtig.

Bei einer Bewertungsaufgabe trennst du Beobachtung, Erklärung und Urteil: Was zeigen die Daten? Welche Ursache ist plausibel? Welche Maßnahme hilft, und welche Interessen oder Nachteile müssen berücksichtigt werden? Ein einzelner Messwert beweist noch keine Ursache.

Üben: wissen, anwenden, erklären

Ordne Licht, Wassertemperatur, Fressfeinde und Konkurrenz abiotischen oder biotischen Faktoren zu.
Was bedeutet der Pfeil Wasserfloh → Fisch?
Warum wäre „Energie wird von Destruenten an Pflanzen zurückgegeben und wiederverwendet“ falsch?
Im Rechenmodell gelangen 15 % von 2.000 kJ Biomasseenergie zur nächsten Ebene. Wie viel ist das?
Erkläre, warum ein zunächst starkes Algenwachstum später Sauerstoffmangel begünstigen kann.

Lösungen anzeigen

Licht und Wassertemperatur sind abiotisch; Fressfeinde und Konkurrenz sind biotisch.
Der Wasserfloh wird vom Fisch gefressen; Stoffe und chemische Energie werden weitergegeben.
Destruenten machen Stoffe wieder verfügbar. Energie wird bei Lebensvorgängen als Wärme abgegeben; Produzenten benötigen eine neue Energiezufuhr, hier Sonnenlicht.
0,15 · 2.000 kJ = 300 kJ.
Abgestorbene Algen werden von Mikroorganismen abgebaut. Der aerobe Abbau benötigt Sauerstoff und kann dessen Nachlieferung übersteigen.

Verbindungen: Fotosynthese und Zellatmung · Klimawandel · Biologie-Übersicht

Quellen und weiterführendes Wissen

Grundwissen bis zur mittleren Reife · Stand: 18. Oktober 2026. Reihenfolge und Vertiefung können je nach Bundesland und Schule variieren.

Biologie

DNA und Vererbung: Warum Kinder ihren Eltern ähneln

Beitragsautor Von admin
Beitragsdatum Oktober 18, 2026

Das lernst du: Du unterscheidest DNA, Gen und Chromosom, erklärst den Zweck von Mitose und Meiose und wertest ein einfaches Kreuzungsschema aus. Vorwissen: Zellen.

Eine Anleitung in den Zellen

Geschwister ähneln sich oft, sind aber – abgesehen von eineiigen Zwillingen – genetisch nicht gleich. Bei der sexuellen Fortpflanzung werden Erbinformationen der Eltern neu kombiniert. Gleichzeitig beeinflusst die Umwelt, wie sich viele Merkmale entwickeln. Körpergröße hängt beispielsweise nicht nur von Genen, sondern unter anderem auch von der Ernährung während des Wachstums ab.

Die DNA ist ein langes Molekül, in dessen Basenfolge genetische Information gespeichert ist. Ihre zwei Stränge bilden eine Doppelhelix. Die Basen heißen Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C). Zwischen den Strängen passt A zu T und G zu C.

Begriff	So kannst du ihn einordnen
DNA	Das Molekül, das genetische Information trägt.
Gen	Ein DNA-Abschnitt, dessen Information für ein funktionelles Produkt genutzt wird, häufig über RNA für ein Protein.
Chromosom	Eine lange DNA-Einheit mit zugehörigen Proteinen. Vor einer Zellteilung wird sie besonders dicht verpackt.
Allel	Eine Variante eines Gens, zum Beispiel A oder a in einem vereinfachten Erbgang.
Merkmal	Eine beobachtbare oder messbare Eigenschaft, zum Beispiel eine Blütenfarbe.

DNA ist also nicht dasselbe wie ein Chromosom, und ein Gen ist nicht ein ganzes Chromosom. Viele Gene liegen auf demselben Chromosom. Die meisten Körperzellen des Menschen besitzen im Zellkern 46 Chromosomen, geordnet in 23 Paare. Ein Chromosom jedes Paares stammt von der Mutter, das andere vom Vater.

Vom Gen zum Merkmal

Bei vielen Genen wird zunächst eine RNA-Abschrift hergestellt. Ribosomen nutzen die Information einer solchen Boten-RNA, um ein Protein aufzubauen. Proteine übernehmen Aufgaben als Enzyme, Baustoffe oder Transportmoleküle. Auf diesem Weg beeinflussen Gene Merkmale. Es gibt auch Gene, deren Produkt eine funktionelle RNA bleibt.

Mitose und Meiose: unterschiedliche Aufgaben

	Mitose	Meiose
Wozu?	Wachstum, Erneuerung und Reparatur von Geweben.	Bildung von Zellen mit einfachem Chromosomensatz für die sexuelle Fortpflanzung.
Chromosomensatz	Bleibt bei der Teilung erhalten.	Wird halbiert.
Ergebnis	Aus einer Zelle entstehen zwei genetisch weitgehend gleiche Tochterzellen.	Nach zwei Teilungen entstehen grundsätzlich vier haploide Zellen; bei der Eizellbildung wird nur eine zur großen Eizelle.
Beim Menschen	Eine typische Körperzelle mit 46 Chromosomen bildet Tochterzellen mit je 46.	Ei- und Samenzellen besitzen normalerweise je 23 Chromosomen.

Vor Mitose beziehungsweise vor der ersten meiotischen Teilung wird die DNA verdoppelt. Ein verdoppeltes Chromosom besteht aus zwei Schwesterchromatiden; es wird zunächst weiterhin als ein Chromosom gezählt. Bei der Meiose werden Chromosomen neu verteilt und DNA-Abschnitte zwischen homologen Chromosomen ausgetauscht. Bei der Befruchtung vereinigen sich Ei- und Samenzelle: 23 + 23 = 46.

Ein überschaubares Modell: Aa × Aa

Wir betrachten ein Modellmerkmal, das von einem Gen mit zwei Allelen abhängt. A ist vollständig dominant gegenüber a. Daher zeigen AA und Aa dieselbe dominante Ausprägung; nur aa zeigt die rezessive. Dominant bedeutet weder besser noch häufiger. AA und aa heißen reinerbig (homozygot), Aa heißt mischerbig (heterozygot).

Beide Eltern haben den Genotyp Aa. In einer Keimzelle liegt jeweils nur eines der beiden Allele. Jeder Elternteil gibt im Modell mit gleicher Wahrscheinlichkeit A oder a weiter:

Keimzelle von Elternteil 1 ↓ / Elternteil 2 →	A (½)	a (½)
A (½)	AA – ¼	Aa – ¼
a (½)	Aa – ¼	aa – ¼

Genotypen: ¼ AA, ½ Aa, ¼ aa. Phänotypen: ¾ mit dominanter und ¼ mit rezessiver Ausprägung. Das sind Wahrscheinlichkeiten für jeden Nachkommen. Bei vier Nachkommen muss deshalb nicht genau einer die rezessive Ausprägung zeigen.

Warum sind Organismen verschieden?

Die Neukombination vorhandener Erbanlagen heißt Rekombination. Mutationen verändern dagegen die DNA selbst. Sie können ohne erkennbare Wirkung bleiben oder Eigenschaften beeinflussen. An Nachkommen werden bei sexueller Fortpflanzung Veränderungen weitergegeben, die in die Keimbahn gelangen; eine Veränderung einer gewöhnlichen Hautzelle wird nicht dadurch an Kinder vererbt.

Für Aufgaben gehst du systematisch vor: Lege die Allelsymbole fest, notiere die Genotypen der Eltern, bestimme mögliche Keimzellen und kombiniere sie im Schema. Unterscheide anschließend Genotyp und sichtbare Ausprägung.

Üben: wissen, anwenden, erklären

Erkläre in einem Satz den Unterschied zwischen Gen und Allel.
Warum halbiert die Meiose den Chromosomensatz?
Ein Elternteil ist Aa, der andere aa. Welche Genotypen sind möglich, und mit welchen Wahrscheinlichkeiten?
Bei Aa × Aa zeigen die ersten drei Nachkommen die dominante Ausprägung. Muss der vierte die rezessive zeigen?
Warum ist das Kreuzungsschema kein geeignetes Modell, um die genaue Körpergröße eines Kindes vorherzusagen?

Lösungen anzeigen

Ein Gen ist ein bestimmter Abschnitt der Erbinformation; Allele sind unterschiedliche Varianten dieses Gens.
Weil bei der Befruchtung zwei Keimzellen zusammenkommen. Die Halbierung verhindert, dass sich die Chromosomenzahl in jeder Generation verdoppelt.
Der erste Elternteil bildet A- und a-Keimzellen, der zweite nur a-Keimzellen: ½ Aa und ½ aa.
Nein. Unter den Modellannahmen bleibt die Wahrscheinlichkeit für aa bei jedem Nachkommen ¼.
Körpergröße wird von vielen Genen und Umweltbedingungen beeinflusst. Das Schema behandelt nur ein Gen mit zwei Allelen.

Weiterlernen: Ökosysteme und Nahrungsnetze · Biologie-Übersicht

Quellen und weiterführendes Wissen

Grundwissen bis zur mittleren Reife · Stand: 18. Oktober 2026. Reihenfolge und Vertiefung können je nach Bundesland und Schule variieren.

Physik

Energie, Arbeit und Leistung: Was eine Schaukel erklärt

Beitragsautor Von admin
Beitragsdatum Oktober 18, 2026

Lernziel: Du unterscheidest Energie, Arbeit und Leistung und kannst einfache Energieumwandlungen berechnen. Vorwissen: Kräfte und Bewegung.

Drei Begriffe, drei Fragen

Größe	Welche Frage beantwortet sie?	Einheit
Energie E	Wie viel Energie ist in einem System gespeichert oder wird übertragen?	Joule (J).
Arbeit W	Wie viel Energie wird durch eine Kraft längs eines Weges übertragen?	Joule (J), auch Newtonmeter (N · m).
Leistung P	Wie viel Energie wird pro Zeit übertragen oder umgewandelt?	Watt (W), also Joule pro Sekunde.

Ein Motor mit größerer Leistung kann die gleiche Arbeit in kürzerer Zeit verrichten. Leistung ist deshalb keine größere oder kleinere „Energiesorte“. Achtung bei den Zeichen: W kann als Formelzeichen Arbeit bedeuten; hinter einer Zahl bezeichnet W die Einheit Watt.

Energieformen im Alltag

Bewegungsenergie: Ein fahrendes Fahrrad besitzt kinetische Energie.
Lageenergie: Ein angehobener Gegenstand besitzt im System aus Gegenstand und Erde potenzielle Energie.
Spannenergie: Eine gedehnte Feder oder ein gespanntes Gummiband kann Energie speichern.
Chemische Energie: Nahrungsmittel und Brennstoffe können bei Reaktionen Energie abgeben.
Innere Energie: Dazu gehören unter anderem die ungeordnete Bewegung und die Wechselwirkungen der Teilchen.

Die Schaukel als Energiegeschichte

Betrachte eine Schaukel näherungsweise als Pendel: Seile und Sitz werden vereinfacht, Anschubsen und Reibung zunächst vernachlässigt. Wir wählen die tiefste Lage als Nullniveau der Lageenergie.

Position	Bewegung	Energie
Seitlicher Umkehrpunkt	Für einen Moment v = 0.	Lageenergie maximal, Bewegungsenergie null.
Auf dem Weg nach unten	Die Schaukel wird schneller.	Lageenergie nimmt ab, Bewegungsenergie nimmt zu.
Tiefster Punkt	Geschwindigkeit maximal.	Lageenergie bezogen auf das gewählte Nullniveau null, Bewegungsenergie maximal.
Auf dem Weg nach oben	Die Schaukel wird langsamer.	Bewegungsenergie wird wieder in Lageenergie umgewandelt.

Ohne Reibung bleibt die Summe aus Lage- und Bewegungsenergie gleich. Eine echte Schaukel kommt allmählich zur Ruhe, weil mechanische Energie unter anderem in innere Energie der Umgebung übergeht. Die Energie verschwindet nicht. Im energetisch abgeschlossenen Gesamtsystem bleibt sie erhalten.

Am seitlichen Umkehrpunkt ist die Lageenergie maximal. Auf dem Weg nach unten wird sie im idealisierten Pendel in Bewegungsenergie umgewandelt. KI-generierte Illustration; Höhe und Winkel sind nicht zum Abmessen gedacht.

Mit Energie rechnen

Nahe der Erdoberfläche gilt E_pot = m · g · h. Für die Bewegungsenergie gilt bei Alltagsgeschwindigkeiten E_kin = ½ · m · v². Die Höhe h bezieht sich auf ein gewähltes Nullniveau; v muss in m/s eingesetzt werden.

Beispiel: Ein idealisiertes Pendel startet aus der Ruhe 0,80 m über seinem tiefsten Punkt. Ohne Reibung gilt dort unten:

m · g · h = ½ · m · v²
v = √(2 · g · h) = √(2 · 9,81 m/s² · 0,80 m) ≈ 3,96 m/s.

Die Masse kürzt sich heraus. Unter diesen Annahmen hängt die Geschwindigkeit unten von der Starthöhe ab, nicht von der Masse. Eine echte Schaukel weicht wegen Reibung und der Bewegung des Menschen davon ab.

Arbeit: Kraft längs eines Weges

Für eine konstante Kraft in Bewegungsrichtung gilt W = F · s. Wirkt die Kraft schräg, zählt nur ihre Komponente längs des Weges. Beim gleichmäßigen Anheben einer Kiste ist die Hubarbeit W = m · g · h.

Eine Kiste mit 10 kg wird 1,5 m angehoben. Mit g ≈ 10 N/kg ergibt sich W = 10 · 10 · 1,5 J = 150 J. Hältst du sie anschließend still, verrichtest du in diesem vereinfachten Modell keine weitere mechanische Arbeit an der Kiste. Deine Muskeln benötigen dennoch Stoffwechselenergie.

Leistung und Wirkungsgrad

Die mittlere Leistung ist P = W / Δt beziehungsweise P = ΔE / Δt. Werden die 150 J Hubarbeit in 3 s verrichtet, beträgt die mittlere Hubleistung 50 W; in 6 s sind es 25 W. Die Arbeit ist jeweils gleich.

Der Wirkungsgrad η = nutzbare Energie / zugeführte Energie beschreibt, welcher Anteil dem gewünschten Zweck dient. Ein Motor nimmt 200 J auf und gibt 150 J als Hubarbeit ab: η = 150/200 = 0,75 = 75 %. Die übrigen 50 J sind nicht vernichtet, sondern beispielsweise als innere Energie in Motor und Umgebung vorhanden.

Eine Kilowattstunde ist eine Energieeinheit: 1 kWh = 3,6 MJ. Ein Gerät mit konstanter Leistung von 1 kW setzt in einer Stunde 1 kWh um.

Teste dein Verständnis

Welche Energie ist am seitlichen Umkehrpunkt einer idealen Schaukel maximal?
Wie verändert sich die Bewegungsenergie bei doppelter Geschwindigkeit und gleicher Masse?
Ein Motor verrichtet 600 J Arbeit in 4 s. Welche mittlere Leistung hat er?
Ein Gerät nimmt 500 J auf; 350 J werden wie gewünscht genutzt. Berechne den Wirkungsgrad.

Lösungen anzeigen

Die Lageenergie. Die Bewegungsenergie ist dort für einen Moment null.
Sie vervierfacht sich, weil die Geschwindigkeit quadratisch eingeht.
P = 600 J / 4 s = 150 W.
η = 350/500 = 0,70 = 70 %.

Verbindungen: Energie in Pflanzen und Zellen · Energie bei chemischen Reaktionen · Alle Physik-Themen

Quellen und weiterführendes Wissen

Stand: 18. Oktober 2026. Erklärungen und Aufgaben für die Mittelstufe; gekennzeichnete Vertiefungen führen weiter.

Physik

Kräfte und Bewegung: Warum wird etwas schneller, langsamer oder krumm?

Beitragsautor Von admin
Beitragsdatum Oktober 18, 2026

Lernziel: Du beschreibst die Wirkung von Kräften, unterscheidest Masse und Gewichtskraft und rechnest mit F = m · a. Einstieg ab etwa Klasse 8.

Eine Kraft verändert Bewegung oder Form

Du schiebst einen Einkaufswagen an, bremst ein Fahrrad oder spannst ein Gummiband. Kräfte können den Bewegungszustand eines Körpers verändern oder ihn verformen. Eine Bewegungsänderung ist nicht nur schneller oder langsamer werden: Auch eine Richtungsänderung ist eine Beschleunigung.

Kräfte besitzen Betrag und Richtung. Deshalb stellt man sie mit Pfeilen dar. Entscheidend ist die resultierende Kraft, also die Summe aller auf den betrachteten Körper wirkenden Kräfte. Zwei entgegengesetzte, gleich große Kräfte können sich ausgleichen.

Die drei newtonschen Gesetze

Gesetz	Kernaussage	Alltagsbeispiel
1. Trägheitsgesetz	Ist die resultierende Kraft null, bleibt ein Körper in Ruhe oder bewegt sich geradlinig mit konstanter Geschwindigkeit.	Beim Bremsen des Busses bewegt sich dein Körper zunächst weiter nach vorn.
2. Grundgesetz	Bei gleichbleibender Masse gilt: F_res = m · a.	Ein leerer Einkaufswagen lässt sich mit derselben resultierenden Kraft stärker beschleunigen als ein voller.
3. Wechselwirkungsgesetz	Übt Körper A eine Kraft auf B aus, übt B gleichzeitig eine gleich große entgegengesetzte Kraft auf A aus.	Beim Gehen drückt dein Fuß den Boden nach hinten; der Boden übt eine Kraft nach vorn auf dich aus.

Die Kräfte des dritten Gesetzes greifen an zwei verschiedenen Körpern an. Sie heben sich deshalb in der Kräftebilanz eines einzelnen Körpers nicht auf. Die Gesetze beschreiben Bewegungen in Bezugssystemen, die selbst nicht beschleunigt sind, für Alltagssituationen sehr gut.

Rechnen mit F = m · a

Ein Wagen hat eine Masse von 12 kg. Du ziehst mit 30 N nach rechts; eine bremsende Kraft von 6 N wirkt nach links. Beide wirken entlang derselben Linie.

Resultierende Kraft bestimmen: F_res = 30 N − 6 N = 24 N nach rechts.
Nach der Beschleunigung umstellen: a = F_res / m.
Einsetzen: a = 24 N / 12 kg = 2 m/s² nach rechts.
Deuten: Bei gleichbleibender resultierender Kraft nimmt die Geschwindigkeit in dieser Richtung pro Sekunde um 2 m/s zu.

Die Einheit der Kraft ist Newton: 1 N = 1 kg · m/s². Die Beschleunigung ist keine Geschwindigkeit. 2 m/s² beschreibt, wie stark sich die Geschwindigkeit pro Zeit ändert.

Masse ist nicht Gewichtskraft

Die Masse m wird in Kilogramm angegeben. Sie ist ein Maß für die Trägheit eines Körpers. Die Gewichtskraft F_G entsteht durch die Gravitation und wird in Newton gemessen. Nahe der Erdoberfläche gilt näherungsweise:

F_G = m · g, mit g ≈ 9,81 N/kg = 9,81 m/s².

Eine Tasche mit 5 kg Masse erfährt auf der Erde etwa 49 N Gewichtskraft. Auf dem Mond bleibt ihre Masse 5 kg, ihre Gewichtskraft ist aber deutlich kleiner. In überschlägigen Schulrechnungen darf man häufig g ≈ 10 N/kg verwenden, wenn das angegeben ist.

Was zeigt eine Schaukel?

Am seitlichen Umkehrpunkt ist die Geschwindigkeit einer idealisierten Schaukel für einen Moment null. Trotzdem wirkt eine resultierende Kraft zurück in Richtung der tiefsten Lage: Die Schaukel beginnt zurückzuschwingen. Geschwindigkeit null bedeutet nicht automatisch Kraft null. Am tiefsten Punkt ist die Geschwindigkeit am größten; für die gekrümmte Bahn ist dort weiterhin eine Beschleunigung in Richtung der Aufhängung nötig.

Gedachter seitlicher Umkehrpunkt: Die Geschwindigkeit ist kurz null, die rücktreibende Kraft aber nicht. Die Schaukel beschleunigt zurück in Richtung der tiefsten Lage. KI-generierte Illustration, kein maßstabsgetreues Kräftediagramm.

Typische Denkfehler

„Damit etwas weiterfährt, muss ständig eine resultierende Kraft nach vorn wirken.“ Ohne Reibung wäre das nicht nötig. Im Alltag gleicht der Antrieb oft gerade die bremsenden Kräfte aus.
„Wenn ein Körper ruht, wirken keine Kräfte.“ Auf ein ruhendes Buch wirken Gewichtskraft nach unten und Stützkraft des Tisches nach oben.
„Kraft und Gegenkraft wirken auf denselben Körper.“ Die Wechselwirkungskräfte gehören zu zwei verschiedenen Körpern.

Teste dein Verständnis

Ein Körper wird mit 15 N nach rechts und 15 N nach links gezogen. Wie groß ist die resultierende Kraft?
Welche Beschleunigung erzeugen 18 N resultierende Kraft bei einer Masse von 6 kg?
Berechne die Gewichtskraft einer Masse von 2 kg mit g = 10 N/kg.
Warum beschleunigt eine Schaukel am seitlichen Umkehrpunkt, obwohl sie dort kurz stillsteht?

Lösungen anzeigen

0 N. Ohne weitere resultierende Kraft bleibt ihr Bewegungszustand unverändert.
a = 18 N / 6 kg = 3 m/s².
F_G = 2 kg · 10 N/kg = 20 N.
Eine Komponente der Gewichtskraft wirkt entlang der Bahn zurück zur tiefsten Lage. Eine momentan verschwindende Geschwindigkeit schließt Beschleunigung nicht aus.

Weiterlernen: Energie, Arbeit und Leistung · Bewegung mit Ableitung und Integral · Alle Physik-Themen

Quellen und weiterführendes Wissen

LEIFIphysik: Mechanik – Kräfte und Bewegung

Stand: 18. Oktober 2026. Erklärungen und Aufgaben für die Mittelstufe; gekennzeichnete Vertiefungen führen weiter.

Chemie

Chemische Reaktionen: neue Stoffe, gleiche Atome

Beitragsautor Von admin
Beitragsdatum Oktober 18, 2026

Lernziel: Du erkennst den Unterschied zwischen Stoffmischung und chemischer Reaktion, kannst einfache Reaktionsgleichungen ausgleichen und den Energieumsatz erklären. Vorwissen: Stoffe und Teilchen.

Wann entsteht ein neuer Stoff?

Ein Eiswürfel schmilzt, ein Zuckerwürfel löst sich und ein Eisennagel rostet. In allen Fällen verändert sich etwas Sichtbares. Doch nur beim Rosten entstehen in diesem Vergleich neue Stoffe. Eisen reagiert unter Beteiligung von Sauerstoff und Wasser zu verschiedenen Eisenverbindungen.

Die Ausgangsstoffe einer chemischen Reaktion heißen Edukte, die entstehenden Stoffe Produkte. Bei gewöhnlichen chemischen Reaktionen werden Atome neu miteinander verbunden; ihre Atomkerne bleiben unverändert. Aus Wasserstoffatomen werden dabei keine Sauerstoffatome.

Zucker im Wasser: Eine sichtbare Veränderung ist nicht automatisch eine chemische Reaktion. Beim Lösen bleiben die Zuckermoleküle unter üblichen Bedingungen erhalten. KI-generierte Illustration.

Hinweise sind noch kein Beweis

Gasentwicklung, Licht, eine Temperaturänderung, ein Farbumschlag oder ein Niederschlag können auf eine Reaktion hinweisen. Man muss aber den Zusammenhang prüfen: Beim Kochen von Wasser entstehen ebenfalls Blasen, ohne dass ein neuer Stoff entsteht. Umgekehrt können chemische Reaktionen fast unbemerkt ablaufen.

Eine Reaktionsgleichung lesen

Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff zu Wasser. Die Formeln der Stoffe sind H₂, O₂ und H₂O. Eine ausgeglichene Gleichung lautet:

2 H₂ + O₂ → 2 H₂O

Atomsorte	Links: Edukte	Rechts: Produkte
Wasserstoff H	2 × 2 = 4 Atome	2 × 2 = 4 Atome
Sauerstoff O	1 × 2 = 2 Atome	2 × 1 = 2 Atome

Die große Zahl vor einer Formel gilt für das ganze Molekül. Die kleine tiefgestellte Zahl gehört zur Stoffformel. 2 H₂O bedeutet zwei Wassermoleküle; H₂O₂ bezeichnet den anderen Stoff Wasserstoffperoxid. Zum Ausgleichen änderst du nur die Zahlen vor den Formeln.

So gleichst du eine einfache Gleichung aus

Notiere zuerst die richtigen Formeln: H₂ + O₂ → H₂O.
Zähle jede Atomsorte links und rechts. Sauerstoff ist noch nicht ausgeglichen.
Setze vor H₂O die Zahl 2. Damit stehen auf beiden Seiten zwei O-Atome.
Rechts stehen nun vier H-Atome. Setze deshalb auch vor H₂ die Zahl 2.
Kontrolliere alle Atomsorten und verwende das kleinste ganzzahlige Zahlenverhältnis.

Die Gleichung beschreibt ein Mengenverhältnis, keinen vorgeschriebenen Ablauf einzelner Zusammenstöße. Zwei Wasserstoffmoleküle reagieren mengenmäßig mit einem Sauerstoffmolekül zu zwei Wassermolekülen. Das Zahlenverhältnis ist kein Massenverhältnis.

Warum bleibt die Masse erhalten?

Wenn keine Stoffe hinein- oder hinausgelangen, ist die Gesamtmasse vor und nach einer gewöhnlichen chemischen Reaktion praktisch gleich. Die Atome werden umgeordnet. In einem offenen Gefäß kann die gemessene Masse trotzdem sinken, wenn ein Gas entweicht, oder steigen, wenn ein Stoff Sauerstoff aus der Luft aufnimmt.

Beispiel: Reagieren 12 g Kohlenstoff vollständig mit 32 g Sauerstoff ausschließlich zu Kohlenstoffdioxid, entstehen 44 g Kohlenstoffdioxid. Die zusätzliche Masse stammt aus dem Sauerstoff. Sie ist nicht neu entstanden.

Energie gehört dazu

Eine exotherme Reaktion gibt insgesamt Energie an die Umgebung ab. Eine endotherme Reaktion nimmt insgesamt Energie auf. Trotzdem benötigt auch eine exotherme Reaktion häufig einen Startimpuls: die Aktivierungsenergie.

Zum Trennen chemischer Bindungen wird Energie benötigt; beim Bilden neuer Bindungen wird Energie frei. Welche Seite überwiegt, bestimmt die Energiebilanz. Ein Katalysator ermöglicht einen Reaktionsweg mit geringerer Aktivierungsenergie. Er verändert nicht die Energiedifferenz zwischen Edukten und Produkten und wird in der Gesamtreaktion nicht verbraucht.

Die Wasserstoffreaktion dient hier nur als Rechenbeispiel. Mischungen aus Wasserstoff und Sauerstoff können explosionsartig reagieren und sind kein Versuch für zu Hause.

Teste dein Verständnis

Warum ist die Blasenbildung beim Sieden allein kein Beweis für eine chemische Reaktion?
Gleiche aus: Mg + O₂ → MgO.
In einem geschlossenen System reagieren 7 g Eisen vollständig mit 4 g Schwefel zu einem einzigen Produkt. Welche Masse entsteht?
Warum kann eine exotherme Reaktion eine Zündung benötigen?

Lösungen anzeigen

Die Blasen enthalten gasförmiges Wasser. Es ändert sich der Aggregatzustand, nicht die Stoffart.
2 Mg + O₂ → 2 MgO. Auf beiden Seiten stehen zwei Mg- und zwei O-Atome.
11 g. Da nichts entweicht oder hinzukommt, bleibt die Gesamtmasse erhalten.
Zunächst muss die Aktivierungsenergie überwunden werden. Der anfängliche Energiebedarf widerspricht einer insgesamt exothermen Bilanz nicht.

Verbindungen: Reaktionen in lebenden Zellen · Energie und Energieumwandlung

Quellen und weiterführendes Wissen

OpenStax: Katalyse und Aktivierungsenergie (englisch)

Stand: 18. Oktober 2026. Erklärungen und Aufgaben für die Mittelstufe; gekennzeichnete Vertiefungen führen weiter.

Chemie

Stoffe und Teilchen: Was passiert, wenn Zucker sich löst?

Beitragsautor Von admin
Beitragsdatum Oktober 18, 2026

Lernziel: Du unterscheidest Beobachtungen von Erklärungen im Teilchenmodell und erkennst den Unterschied zwischen Reinstoff, Gemisch und chemischer Verbindung. Einstieg ab etwa Klasse 7.

Der Zucker ist nicht verschwunden

Du gibst einen Zuckerwürfel in Wasser und rührst um. Nach einiger Zeit ist kein fester Zucker mehr zu sehen. Trotzdem enthält das Wasser den Zucker weiterhin. Die einzelnen Zuckermoleküle haben sich zwischen den Wassermolekülen verteilt. Sie sind viel zu klein, um sie einzeln mit bloßem Auge zu sehen.

Beobachtung: Der feste Zuckerwürfel wird kleiner und ist schließlich nicht mehr sichtbar.
Erklärung: Zuckermoleküle lösen sich aus dem Kristallverband und verteilen sich im Wasser. Der Zucker wird dabei unter üblichen Bedingungen nicht in einen neuen Stoff umgewandelt.

Links vor dem Lösen, rechts nach dem Einrühren: Der Zucker ist in der klaren Lösung weiterhin vorhanden. Seine Moleküle sind verteilt und einzeln nicht sichtbar. KI-generierte Illustration.

Ein Modell hilft beim Verstehen

Das Teilchenmodell beschreibt Stoffe mithilfe sehr kleiner Teilchen. Diese bewegen sich und wechselwirken miteinander. Im einfachen Modell zeichnet man sie oft als Kreise. Solche Kreise sind keine mikroskopischen Fotos. Farbe, Abstand und Größe dienen der Erklärung und sind häufig nicht maßstabsgetreu.

Die Stoffebene beschreibt zum Beispiel Farbe, Dichte oder Schmelztemperatur einer Probe. Auf der Teilchenebene fragt man nach Aufbau, Bewegung und Anordnung der Teilchen. Ein einzelnes Wassermolekül ist nicht „flüssig“: Der Aggregatzustand ist eine Eigenschaft sehr vieler zusammenwirkender Teilchen.

Atome, Moleküle und Ionen

Begriff	Bedeutung	Beispiel
Atom	Baustein eines Elements; besteht aus Atomkern und Elektronenhülle.	Ein Heliumatom: He.
Molekül	Verbund aus chemisch gebundenen Atomen.	H₂O besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom.
Ion	Elektrisch geladenes Atom oder geladene Atomgruppe.	Na⁺ und Cl⁻ im Kochsalz.
Element	Reinstoff aus nur einer Atomsorte.	Sauerstoff besteht gewöhnlich aus O₂-Molekülen und ist trotzdem ein Element.
Verbindung	Reinstoff aus mindestens zwei chemisch verbundenen Elementsorten.	Wasser (H₂O); Kochsalz bildet ein Ionengitter, keine einzelnen NaCl-Moleküle.

Reinstoff oder Gemisch?

Ein Reinstoff hat eine festgelegte chemische Zusammensetzung. Zuckerwasser ist dagegen ein Gemisch aus Wasser und Zucker: Du kannst wenig oder viel Zucker hineingeben. Ist alles gelöst und gleichmäßig verteilt, spricht man von einer homogenen Lösung. Öl und Wasser bilden normalerweise getrennte Phasen – ein heterogenes Gemisch.

Gemische lassen sich mit physikalischen Trennverfahren zerlegen. Sand kann man aus Wasser filtrieren. Gelösten Zucker hält ein gewöhnlicher Papierfilter nicht zurück. Lässt man das Wasser langsam verdunsten, kann Zucker wieder auskristallisieren. Auch beim Lösen gibt es eine Grenze: Ist die Lösung gesättigt, löst sich bei dieser Temperatur kein weiterer Zucker mehr dauerhaft auf.

Fest, flüssig und gasförmig

Zustand	Teilchenvorstellung	Beobachtbare Eigenschaft
Fest	Teilchen sind an Plätze gebunden und schwingen um diese.	Eine feste Probe behält weitgehend ihre Form.
Flüssig	Teilchen sind nahe beieinander, können aber ihre Plätze wechseln.	Die Flüssigkeit passt ihre Form dem Gefäß an.
Gasförmig	Teilchen sind weit voneinander entfernt und bewegen sich frei zwischen Zusammenstößen.	Ein Gas verteilt sich im verfügbaren Raum und lässt sich gut zusammendrücken.

Beim Schmelzen von Eis bleiben die H₂O-Moleküle erhalten; ihre Anordnung und Beweglichkeit ändern sich. Beim Sieden wird Wasser gasförmig. Der sichtbare weiße Nebel über heißem Wasser besteht hingegen aus kleinen flüssigen Tröpfchen; gasförmiges Wasser selbst ist unsichtbar.

Selbst beobachten

Vergleiche in zwei gleich großen Gläsern dieselbe Menge Zucker mit derselben Menge kaltem beziehungsweise lauwarmem Wasser. Rühre entweder beide gleich oder keines. Beobachte, wie schnell der feste Zucker verschwindet. Ändere möglichst nur eine Bedingung. So unterscheidest du den Einfluss der Temperatur vom Einfluss des Rührens.

Teste dein Verständnis

Ist klares Zuckerwasser ein Reinstoff oder ein Gemisch?
Warum trennt ein Papierfilter gelösten Zucker nicht vom Wasser?
Ist O₂ ein Element oder eine Verbindung?
Eine verschlossene Flasche enthält 100 g Wasser und 5 g Zucker. Welche Masse hat ihr Inhalt nach vollständigem Lösen?

Lösungen anzeigen

Ein homogenes Gemisch, solange der Zucker vollständig gelöst und gleichmäßig verteilt ist.
Gelöste Zuckermoleküle sind so klein, dass sie mit dem Wasser durch die Poren eines üblichen Papierfilters gelangen.
Ein Element: Beide Atome gehören zur gleichen Atomsorte Sauerstoff.
105 g. Durch das Lösen verschwindet keine Masse.

Weiterlernen: Wann entstehen neue Stoffe? · Alle Chemie-Themen

Quellen und weiterführendes Wissen

Stand: 18. Oktober 2026. Erklärungen und Aufgaben für die Mittelstufe; gekennzeichnete Vertiefungen führen weiter.