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Stoffgemische
- Stoffe mischen
und Stoffe trennen -
von Thomas Seilnacht
Weiteres Material
zum Thema: Chemische Grundoperationen
und Digitale Folien
In der Natur kommen Stoffe nur selten als
Reinstoffe vor. Meistens handelt es sich um Stoffgemische,
die sich aus mindestens zwei Reinstoffen zusammensetzen. Selbst eine hochreine
Laborchemikalie ist niemals 100%ig rein, sie enthält immer einige
Verunreingungen, wenn auch nur in geringem Maße. Stoffgemische findet
man überall. Betrachtet man ein Stück rötlichen Granit,
sieht man verschiedene Bestandteile: Rötlicher Feldspat, weißer
Quarz und schwarzer Glimmer. Wenn man das Granitstück mit einem Hammer
zerkleinert, kann man es in die einzelnen Bestandteile auftrennen.
Beim Granit sind die einzelnen Bestandteile
deutlich erkennbar. Die drei Bestandteile liegen alle im festen Zustand
vor, ein solches Gemisch nennt man auch Gemenge.
Vermischt man Salatöl und Wasser,
schwimmt das Öl aufgrund seiner geringeren Dichte
zunächst auf dem Wasser. Durch kräftiges Schütteln vermischen
sich die beiden Flüssigkeiten teilweise. Dieses Gemisch von zwei Flüssigkeiten
bezeichnet man als Emulsion. Auch Milch
ist eine Emulsion von Fetttröpfchen in Wasser. Dass bei der Milch
ein Stoffgemisch vorliegt, kann man erst unter dem Mikroskop erkennen.
Die kleinen Punkte auf dem Bild zeigen die Fetttröpfchen in der Milch
bei 1000facher Vergrößerung:
Vermischt man einen festen Stoff mit einer
Flüssigkeit, erhält man eine Suspension.
Beim Verrühren von Gartenerde in Wasser sind die festen Bestandteile
der Erde auch ohne Mikroskop zu erkennen. Sie setzen sich nach einer Weile
am Boden des Gefäßes ab.
Sind die Bestandteile eines Stoffgemisches
mit den Augen oder mit Hilfe eines Mikroskops noch zu erkennen, liegt ein
heterogenes Stoffgemisch vor.
Wenn man einen Goldbarren herstellt, versucht
man möglichst reines Gold zu verwenden. Die
kleinen Goldbarren auf der Abbildung unten besitzen eine Reinheit von 999,9
- das bedeutet sie enthalten mindestens 99,99% Anteile Gold. Der Goldring
mit dem innen versehenen Stempel 585 enthält einen garantierten Goldgehalt
von 58,5% Gold, der restliche Anteil setzt sich aus Silber, Kupfer oder
Platin zusammen. Hier liegt ebenfalls ein Stoffgemisch in Form einer Legierung
vor. Als Legierung bezeichnet man ein
Stoffgemisch, bei dem mindestens eine Komponente aus einem Metall besteht.
Das goldgelbe Messing enthält beispielsweise kein Gold, sondern die
Messing-Legierung setzt sich aus den Komponenten Kupfer
und Zink zusammen. Bronze wäre ein Legierung
von Kupfer und Zinn.
Die einzelnen Komponenten einer Legierung
kann man jedoch selbst mit einem Mikroskop nicht mehr erkennen. Derartige
Stoffgemische nennt man homogene Stoffgemische.
Nicht nur Legierungen bilden homogene Stoffgemische, sondern auch Lösungen
und Gemische verschiedener Gase. Beim Streuen von Kochsalz in Wasser löst
sich das Salz allmählich auf und ist nach einer Weile nicht mehr zu
sehen. Dass es noch im Wasser gelöst ist, kann leicht mit der Geschmacksprobe
feststellen.
Andere Salze wie das Kaliumpermanganat
lösen sich unter Ausbildung einer farbigen Lösung. Schichtet
man über das Kaliumpermanganat ganz vorsichtig Wasser, erhält
man zunächst die getrennten Komponenten. Doch selbst wenn das Gefäß
danach völlig ruhig steht, vermischen sich die beiden Komponenten
allmählich. Man erklärt sich das Phänomen dadurch, dass
die enthaltenen Atome ständig in Bewegung sind und dadurch die Komponenten
vermischen. Diese Durchmischung, die durch die Eigenbewegung der Atome
verursacht wird, nennt man Diffusion.
Manchmal findet beim Lösungsvorgang
eine Erwärmung statt, beispielsweise beim Lösen von Kaliumnitrat
in Wasser, in seltenen Fällen sogar eine Abkühlung. Lösungen
findet man nicht nur bei Stoffgemischen von einer Flüssigkeiten mit
einem Feststoff, sondern auch bei Mischungen von Gasen oder anderen Flüssigkeiten
mit einer Flüssigkeit. Wein ist eine Lösung von Alkohol
in Wasser, sowie anderen gelösten Bestandteilen, zum Beispiel Zucker
oder Aromastoffe. Erhitzt man gewöhnliches Wasser in einem Glasgefäß,
steigen zunächst kleine Gasbläschen auf: Durch das Erhitzen wird
der gelöste Sauerstoff aus dem Wasser zuerst
in kleinen Bläschen ausgetrieben, bevor die größeren Wasserdampfblasen
aufsteigen (>Experimentierbeschreibung).
Ein Beispiel für ein homogenes Stoffgemisch
zwischen mehreren Gasen, stellt die gewöhnliche Atemluft dar. Sie
enthält als Hauptbestandteil 78% Volumenanteile Stickstoff , 21% Volumenanteile
Sauerstoff und 1% Volumenanteil an anderen Gasen wie Argon oder Kohlenstoffdioxid.
Die Stoffgemische kann man nach dem Aggregatzustand
der Komponenten in einer Tabelle zusammenfassen. Heterogene
Stoffgemische sind in der Tabelle grün gekennzeichnet, homogene
Stoffgemische rot.
| Stoffgemisch |
fest |
flüssig |
gasförmig |
| in fest |
Legierung (Messing)
Gemenge (Granit)
Haufwerk (Kieshaufen) |
Schwamm |
Hartschaum |
| in flüssig |
Lösung (Salzlösung)
Suspension (Schlamm) |
Lösung (Wein)
Emulsion (Milch) |
Lösung (Mineralwasser)
Schaum (Seifenschaum) |
| in gasförmig |
Rauch (Zigarettenrauch) |
Nebel |
Gasgemisch (Luft) |
Stoffe vermischen
Das Vermischen von Stoffen im Labor oder
in der Industrie erfolgt beispielsweise durch Schütteln, Vermengen,
Walzen, Kneten, Emulgieren (Zugabe eines Emulgators bei der Herstellung
einer Hautcreme), Suspendieren oder Lösen. Hierbei wird das Vermischen
durch Zerkleinern, Rühren
oder Heizen beschleunigt. Das Ablaufen
einer unerwünschten chemischen Reaktion
lässt sich mit Kühlen,
bzw. mit einer exakten Temperaturmessung
verhindern. Die Stoffportionen der einzusetzenden Komponenten können
durch Wägen oder durch Volumenmessungen
bestimmt werden.
Stoffe trennen
Nach der allgemeinen Definition findet
bei der Vermischung der beteiligten Stoffe keine chemische Reaktion statt.
Trotzdem lassen sich für die Gemische physikalische Eigenschaften
- beispielsweise Dichte oder Siedepunkte - angeben. Die Stoffgemische lassen
sich durch physikalische Trennverfahren in ihre Komponenten zerlegen. Bei
der Trinkwasserreinigung werden unerwünschte
Komponenten durch die Stofftrennungen beseitigt. Im chemischen Labor gehören
die verschiedenen Trennverfahren zu den wichtigsten chemischen
Grundoperationen. Die Gemische werden aufgrund der unterschiedlichen
chemischen und physikalischen Eigenschaften der beteiligten Komponenten
aufgetrennt:
-
Nach Art der Zusammensetzung: Beim Sortieren
lassen sich die Komponenten aufgrund ihrer verschiedenartigen Zusammensetzung
trennen. Als Beispiel hierfür dient die Mülltrennung.
-
Nach der Dichte: Beim Aufschlämmen,
Sedimentieren, Dekantieren und Zentrifugieren
werden die Komponenten aufgrund ihrer unterschiedlichen Dichte getrennt.
Beispiel: Beim Abgießen des Kaffees vom Kaffeesatz im Haushalt nutzt
man die Schwerkraft und die höhere Dichte des nach unten sich absetzenden
Kaffeesatzes aus, um den darüber stehenden Kaffee abzugießen.
-
Nach der Partikelgröße: Beim Sieben
werden die Stoffteilchen der gröberen Komponente im Sieb zurückgehalten.
Beim Filtrieren einer Suspension
bleibt die Feststoffkomponente im Filterpapier zurück.
-
Nach der Magnetisierbarkeit: Bei der Magnettrennung
werden magnetisierbare Komponenten mit einem (Elektro-)Magnet herausgezogen.
-
Nach dem Siedepunkt: Beim Destillieren
werden Flüssigkeiten durch Erhitzen voneinander getrennt. Die Komponente
mit dem niedrigeren Siedepunkt verdampft zuerst, sie kondensiert danach
in einem Kühler.
-
Nach dem Sublimationspunkt: Hat man ein Stoffgemisch,
bei dem einer der Stoffe sublimiert, kann dieser Stoff durch Sublimieren
abgetrennt werden.
-
Nach der Wirksamkeit der Oberflächenkräfte:
Bei der Adsorption wird eine gasförmige
oder flüssige Komponente durch die Oberflächenkraft eines anderen
Stoffes - zum Beispiel durch Aktivkohle - festgehalten.
-
Nach dem Kristallisationsverhalten: Beim Umkristallisieren
wird ein verunreinigter Stoff gelöst und wieder auskristallisiert.
Die Verunreinigungen verbleiben in der überstehenden Lösung.
-
Aufgrund des Lösungsverhalten der Komponenten
in einer Flüssigkeit: Bei der Extraktion
wird ein Stoff aus einer Flüssigkeit, aus einem Feststoffgemisch oder
aus einem Gasgemisch mit einem flüssigen Lösungsmittel abgetrennt.
-
Aufgrund des Lösungsverhaltens einer
Gaskomponente: Bei der Absorption
lösen sich gasförmige Verunreingungen in einer Flüssigkeit
(Waschmittel) oder in einem Feststoff.
-
Aufgrund von Verunreinigungen durch Wasser:
Beim thermischen Trocknen wird
das Stoffgemisch erhitzt oder an der Luft stehen gelassen. Im ersten Fall
verdampft das Wasser im zweiten Fall verdunstet es. Beim chemischen Trocknen
reagiert ein zugegebener Stoff mit dem Wasser und entzieht dem Gemisch
dadurch das Wasser.
-
Auftrennung aufgrund unterschiedlicher Wechselwirkungen
(Löslichkeit oder Adsorption) der Komponenten mit einer zugegebenen
Phase: Chromatografie