Messen von Stoffeigenschaften

Messbare Stoffeigenschaften – Chemie

Stell dir vor, du hast zu Hause einen Löffel aus Silber und einen aus Edelstahl. Beide glänzen silbern, doch woher weißt du nun, welcher Löffel aus welchem Stoff besteht? Um das zu klären, musst du die Stoffeigenschaften der beiden Löffel messen und diese mit Silber und Edelstahl abgleichen. Welche Stoffeigenschaften wie gemessen werden, erfährst du in dem folgenden Text.

Stoffeigenschaften untersuchen

Einfach erklärt kannst du die unterschiedlichen Stoffeigenschaften mit verschiedenen Methoden messen. Durch die messbaren Eigenschaften kannst du Stoffe voneinander unterscheiden und mithilfe der Stoffeigenschaften auch Stoffe identifizieren. Doch welche Stoffeigenschaften lassen sich überhaupt messen?

• Elektrische Leitfähigkeit
• Schmelz- und Siedepunkt
• Löslichkeit
• Dichte

Gibt es auch nicht messbare Stoffeigenschaften? Ja, die gibt es. Wenn du mehr über verschiedene Stoff- und Materialeigenschaften erfahren möchtest, kannst du dir das Video Stoffeigenschaften anschauen.

Wie kann man Stoffeigenschaften überprüfen?

Du hast gelernt, dass man mit messbaren Stoffeigenschaften verschiedene Stoffe untersuchen und anschließend identifizieren kann. Du hast vier Beispiele für messbare Stoffeigenschaften kennengelernt. Doch wie kannst du nun die Stoffeigenschaften messen? Dazu schauen wir uns die elektrische Leitfähigkeit, den Schmelz- und Siedepunkt, die Löslichkeit und die Dichte genauer an.

Elektrische Leitfähigkeit

Bei der elektrischen Leitfähigkeit wird der Stoff dahingehend untersucht, wie gut elektrischer Strom geitet wird. Die Leitfähigkeitsmessung erfolgt indirekt durch die Messung der Stromstärke, die sich bei einer vorgegebenen Spannung unter bestimmten Bedingungen einstellt. Bei der elektrischen Leitfähigkeit wird der elektrische Widerstand eines Stoffs bestimmt. Dieser ist temperaturabhängig. Ein guter Leiter hat einen geringen elektrischen Widerstand. Ein schlechter Leiter hat einen großen elektrischen Widerstand.

Falls du noch mehr über den elektrischen Widerstand erfahren möchtest, kannst du dir das Video Spezifischer elektrischer Widerstand ansehen.

Ein Stoff wird als elektrisch leitfähig bezeichnet, wenn er frei bewegliche, geladene Teilchen enthält. Zu diesen Stoffen gehören zum Beispiel Metalle, Grafit und einige chemische Verbindungen.

Ist Wasser leitfähig? Grundsätzlich ist reines Wasser nicht leitfähig, das heißt, es leitet keinen elektrischen Strom. Erst durch im Wasser gelöste Stoffe, wie zum Beispiel Chloride, Sulfate oder Carbonate wird das Wasser leitfähig. Durch die Messung der Leitfähigkeit dieser Lösungen kann also auf die Menge der im Wasser gelösten Teilchen geschlossen werden. Je mehr Teilchen, desto höher die Leitfähigkeit.

Schmelz- und Siedepunkt

Sicher weißt du, dass Wasser im Gefrierschrank zu Eis oder beim Kochen zu Wasserdampf wird. Das Wasser ändert bei null Grad Celsius seinen Aggregatzustand von flüssig zu fest. Bei einer Temperatur von $\pu{100 °C}$ ändert das Wasser seinen Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig.

Wenn Stoffe vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand wechseln, heißt das Siedepunkt. Beim Wechsel vom festen in den flüssigen Zustand heißt es Schmelzpunkt.

Betrachten wir das Verhalten des Wassers beim Erhitzen nun etwas genauer:

Die Temperatur des flüssigen Wassers ändert sich beim Erreichen des Siedepunkts nicht mehr. Genauso verhält sich die Wassertemperatur beim Schmelzpunkt. Erst wenn das gesamte Eis geschmolzen ist, steigt die Temperatur des Wassers wieder.

Somit kannst du den Schmelz- und Siedepunkt durch das Messen der Temperatur bestimmen. An diesen Punkten bleibt die Temperatur konstant, bis der Stoff in den anderen Aggregatzustand gewechselt hat.

Der Siedepunkt von Stoffen ist vom Luftdruck abhängig. Je größer der Luftdruck, desto höher ist der Siedepunkt und umgekehrt. Dieses Prinzip wird zum Beispiel bei einem Schnellkochtopf genutzt. Der höhere Druck im Topf bewirkt, dass das flüssige Wasser Temperaturen von etwa $\pu{120 °C}$ bekommt. Dadurch werden die Garzeiten verkürzt. Wasser siedet nur bei einem Druck von genau $\pu{1 013 hPa}$ bei $\pu{100 °C}$. Wird der Luftdruck kleiner, sinkt die Siedetemperatur des Wassers auf weit unter $\pu{100 °C}$.

Löslichkeit

Wenn du das Kochwasser für die Nudeln salzt, löst es sich in Wasser auf. Dies geschieht, weil Wasser ein gutes Lösungsmittel ist. In Wasser lassen sich feste Stoffe, Flüssigkeiten und Gase lösen.

Kohlenstoffdioxidgas ($\ce{CO2}$) ist in Mineralwasser gelöst. In Flüssen, Seen und Meeren ist Sauerstoff ($\ce{O2}$) gelöst, sodass die Tiere wie Fische ausreichend Sauerstoff aufnehmen können.

Unterschiedliche Stoffe lösen sich unterschiedlich gut in Wasser. Außerdem kannst du nicht eine beliebig große Menge eines Stoffs in Wasser lösen. Die Löslichkeit gibt die maximale Menge eines Stoffs an, die sich in einem bestimmten Lösungsmittel lösen lässt. Zum Beispiel lassen sich in $\pu{100 g}$ Wasser ($\ce{H2O}$) etwa $\pu{36 g}$ Kochsalz ($\ce{NaCl}$) lösen. Gibst du mehr Salz in das Wasser, löst es sich nicht mehr. Es bildet sich ein Bodensatz.

Neben Wasser gibt es noch viele weitere geeignete Lösungsmittel wie zum Beispiel Alkohol.

Gibst du Zucker in einen Topf gefüllt mit kaltem Wasser entsteht ein Bodensatz. Der Zucker löst sich also nicht oder nur teilweise. Erhitzt du nun das Wasser, kannst du beobachten, dass sich der Bodensatz aus Zucker allmählich auflöst. Die Löslichkeit ist also auch von der Temperatur des Lösungsmittels abhängig. In der Regel gilt: Je höher die Temperatur des Lösungsmittels ist, desto mehr löst sich darin. Diese Temperaturabhängigkeit ist aber von Feststoff zu Feststoff unterschiedlich.

Bei Gasen verläuft die Temperaturabhängigkeit umgekehrt. Je wärmer es ist, desto geringer ist die Löslichkeit der Gase in Wasser.

Nicht alle Stoffe können in Wasser gelöst werden. So lassen sich beispielsweise Fette und Öle nicht in Wasser lösen.

Dichte

Salz und Wasser haben bei gleichem Volumen ein unterschiedliches Gewicht, weil die jeweilige Dichte der Stoffe unterschiedlich ist. Die Dichte ist eine messbare Eigenschaft, die angibt, welche Masse ein Stoff bei einem bestimmten Volumen besitzt. Dazu wiegt man den Stoff, ermittelt sein Volumen und bildet anschließend den Quotienten der beiden Werte.

$ \rho = \frac{\text{Masse des Stoffs}}{\text{Volumen des Stoffs}} = [\pu{g//l}]$ (für Gase und Flüssigkeiten) = $ [\pu{g//cm3}]$ (für Feststoffe)

Wasser hat eine Dichte von $\pu{1 g//l}$, deswegen hat Wasser mit einem Volumen von $\pu{200 ml}$ genau ein Gewicht von $\pu{200 g}$. Das Kochsalz hat eine Dichte von etwa $\pu{ 2,2 g//cm3}$. Das Volumen von $\pu{200 ml}$ Salz hat also ein Gewicht von $\pu{440 g}$.

Metalle mit einer Dichte von mehr als $\pu{5 g//cm3}$ $(\rho > \pu{5 g//cm3})$ werden als Schwermetalle bezeichnet. Dazu gehört zum Beispiel auch Eisen ($\ce{Fe}$), das eine Dichte von $\pu{7,9 g//cm3}$ aufweist. Automobilhersteller haben großes Interesse daran, in neuen Fahrzeugen das Eisen durch das Leichtmetall Aluminium ($\ce{Al}$) zu ersetzen, da die Dichte von Aluminium nur $\pu{2,7 g//cm3}$ beträgt. Durch diesen Tausch werden die Autos leichter und verbrauchen folglich weniger Treibstoff.

Gase dagegen besitzen eine geringe Dichte. So hat die Luft eine Dichte von $\pu{0,0012 g//l}$. Gase mit einer höheren Dichte als Luft sinken zu Boden, da sie schwerer als Luft sind. Kohlenstoffdioxid ist so ein Gas. Auch die Dichte von Gasen ist temperaturabhängig.

Beispielsweise steigt ein mit heißer Luft gefüllter Ballon nach oben. Mit höherer Temperatur nimmt die Dichte ab. Darum haben die Stoffe im festen Zustand ihre höchsten und im gasförmigen Zustand ihre tiefsten Dichtewerte.

Eine Ausnahme dieser Regel ist das Wasser. Wasser hat die größte Dichte bei $\pu{4 °C}$. Folglich ist ein Liter Eis leichter als ein Liter $\pu{4 °C}$ kaltes Wasser. Das ist der Grund, warum Eisberge auf der Wasseroberfläche schwimmen und Teiche und Seen im Winter von oben nach unten zufrieren. Falls du noch mehr über diese Anomalie des Wassers wissen möchtest, kannst du dir das Video Phasendiagramm des Wassers ansehen.

Dieses Video

In diesem Video lernst du, wie du Stoffeigenschaften messen kannst. Fassen wir die messbaren Stoffeigenschaften in einer Tabelle zusammen:

Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben und Arbeitsblätter zum Thema Messbare Stoffeigenschaften, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!