Check-up-Lösungen: Stoffe und Stoffgemische

Eigenschaften, die einen Stoff charakterisieren, sind z. B. Farbe, Geruch, elektrische Leitfähigkeit, Löslichkeit, Dichte, Siedetemperatur und Schmelztemperatur.

Pfannen: Eisen, Kupfer, Aluminium
Griffe: Holz, Kunststoffe
Unterschiedliche Stoffe werden deshalb verwendet, damit man den Griff einer heißen Pfanne anfassen kann. Die Stoffe, aus denen die Griffe bestehen, sind schlechte Wärmeleiter.

Gegeben:

Volumen \(V = 30 \, \text{ml} = 30 \, \text{cm}^3 \)

Masse \(m = 27,6 \, \text{g} \)

Gesucht:

Dichte \(\rho \)

Berechnung:

\(\rho = \frac{m}{V} \)

\(\rho = \frac{27,6 \, \text{g}}{ 30 \, \text{cm}^3} \)

\(\rho = 0,92 \, \frac{\text{g}}{\text{cm}^3} \)

Ergebnis:

Die Dichte des Olivenöls beträgt \(0,92 \, \frac{\text{g}}{\text{cm}^3} \).

Beispiele: Löten mit Zinn; im Winter nasse Wäsche im Freien trocknen; Entstehen von Eiswürfeln im Gefrierschrank; Einfrieren von Nahrungsmitteln; Benutzen eines Gasfeuerzeugs; Gießen von Metallen

Steckbrief Wasser:

Wasser gehört aufgrund seiner relativ niedrigen Schmelz- und Siedetemperatur zu den molekularen Stoffen. Im Gegensatz zu den Metallen leitet Wasser auch nicht den elektrischen Strom oder hat deren typischen Glanz.

Das Teilchenmodell geht von folgenden Annahmen aus:
– Die Teilchen ein und desselben Stoffes sind gleich.
– Sie haben alle die gleiche Masse und Größe.
– Die Teilchen verschiedener Stoffe unterscheiden sich in ihrer Größe und Masse.
– Alle Teilchen sind immer in Bewegung.
– Zwischen den Teilchen ist leerer Raum.
– Zwischen den Teilchen gibt es Anziehungskräfte.

Fest: In einem Feststoff sind die Teilchen regelmäßig angeordnet und liegen eng beieinander. Der Abstand zwischen den Teilchen ist also sehr klein. Die Teilchen bewegen sich kaum. Die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen, die sich an vielen Stellen berühren, sind sehr groß.

Gasförmig: In einem gasförmigen Stoff sind die Teilchen ungeordnet und der Abstand zwischen ihnen ist sehr groß. Die Teilchen sind frei beweglich. Die Teilchen halten nicht zusammen und sind so weit voneinander entfernt, dass die Anziehungskräfte überwunden sind.

Zu Beginn liegen die Teilchen des Wassers ungeordnet vor und haben einen kleinen Abstand zueinander. Die Anziehungskräfte zwischen ihnen sind groß, sie können aber aneinander vorbeigleiten. Durch das Erhitzen beginnen die Teilchen sich stärker zu bewegen. Manche Teilchen bewegen sich so schnell, dass sie sich voneinander lösen können. Je mehr das Wasser erhitzt wird, desto mehr Teilchen können die
Anziehungskräfte überwinden. Das Wasser wechselt in den gasförmigen Aggregatzustand, es verdampft.

Erstarren (Übergang von flüssig zu fest): In einer Flüssigkeit können sich die Teilchen bewegen, aber sie bleiben nah beieinander. Kühlt man die Flüssigkeit ab, bewegen sich die Teilchen immer langsamer. Ab einer bestimmten Temperatur, z. B. 0 °C bei Wasser, bewegen sie sich so wenig, dass sie sich regelmäßig anordnen. Der Stoff wird fest.

Verdampfen (Übergang von flüssig zu gasförmig): Wird eine Flüssigkeit erhitzt, beginnen die Teilchen sich immer schneller zu bewegen. Dadurch können sie die Anziehungskräfte zwischen ihnen überwinden und die Abstände zwischen den Teilchen werden größer. Der Stoff wird gasförmig.

Kondensieren (Übergang von gasförmig zu flüssig): In einem Gas bewegen sich die Teilchen sehr schnell. Es gibt keine Anziehungskräfte zwischen ihnen. Kühlt man das Gas ab, bewegen sich die Teilchen zunehmend langsamer und nähern sich an. Ab einer bestimmten Temperatur sind die Teilchen so langsam, dass sich Anziehungskräfte zwischen ihnen ausbilden können. Der Stoff wird flüssig.

Die Teilchen in einem Gas sind sehr weit voneinander entfernt und bewegen sich sehr schnell in alle Richtungen. Zwischen ihnen ist viel leerer Raum, daher stoßen sie selten zusammen und können sich leicht und schnell ausbreiten.
Die Teilchen in einer Flüssigkeit liegen dagegen viel dichter beieinander. Sie bewegen sich langsamer und stoßen ständig zusammen. Dadurch werden sie beim Ausbreiten abgebremst.

a) Chemikalien: Quecksilber
Geräte: Messzylinder, Waage
Durchführung: Wiege einen leeren Messzylinder und notiere seine Masse. Fülle den Messzylinder vorsichtig mit etwas Quecksilber. Lies das Volumen des Quecksilbers im Messzylinder ab. Wiege den Messzylinder erneut und bestimme die Masse der Quecksilberportion durch Subtraktion der beiden Wägungen. Berechne die Dichte des Quecksilbers.

b)

Gegeben:

Volumen \(V(\text{Quecksilberkugel}) = 1,6 \, \text{cm}^3 \)

Dichte \(\rho(\text{Quecksilberkugel}) = 13,55 \, \frac{\text{g}}{\text{cm}^3} \)

Gesucht:

Masse \(m(\text{Quecksilberkugel}) \)

Berechnung:

\(m(\text{Quecksilberkugel}) = \rho(\text{Quecksilberkugel}) \cdot V(\text{Quecksilberkugel}) \)

\(m(\text{Quecksilberkugel}) = 13,55 \, \frac{\text{g}}{\text{cm}^3} \cdot 1,6 \, \text{cm}^3 \)

\(m(\text{Quecksilberkugel}) = 21,68 \, \text{g} \)

Ergebnis:

Die Masse der Quecksilberkugel beträgt \(21,68 \, \text{g} \).

c) Unter Verdunsten versteht man den Übergang eines Stoffes in den gasförmigen Zustand, bevor die Siedetemperatur erreicht ist. Alle Quecksilber-Teilchen in der Flüssigkeit bewegen sich ungeordnet und stoßen dabei immer wieder auch zusammen. Einige Quecksilber-Teilchen werden dabei so schnell, dass sie dadurch die Anziehungskräfte zwischen ihnen überwinden können und in den gasförmigen Zustand übergehen. Nach und nach verlassen so die Quecksilber-Teilchen die Teilchenanordnung im flüssigen Zustand, das Quecksilber verdunstet.

a) Nein, die Aussagen ist falsch. Das Teilchenmodell ist ein Gedankenmodell. Man kann die Teilchen nicht sehen.
b) Die Aussage ist richtig.
c) Nein, die Aussage ist falsch. Gase haben sowohl eine veränderliche Form als auch ein veränderliches Volumen. Zwischen den Teilchen in einem Gas gibt es keine Anziehungskräfte. Sie nehmen daher den Raum ein, der ihnen zur Verfügung steht.
d) Nein, die Aussage ist falsch. Schmelzen ist eine Aggregatzustandsänderung, bei der sich die Anordnung der Teilchen und der Zusammenhalt zwischen ihnen verändert. Die Teilchen selbst bleiben unverändert.
e) Nein, die Aussage ist falsch. Das Teilchenmodell ist ein Gedankenmodell. Die Teilchen haben keine Farbe. Es ist nur eine Vereinfachung zur Darstellung im Modell.

a) Im Teilchenmodell ist die Form der Teilchen nicht wichtig. Alle Darstellungsmöglichkeiten zeigen grundlegend den Unterschied in der Anordnung der Teilchen bei einem festen, einem flüssigen und einem gasförmigen Stoff.

b) Für die Darstellung eines Gases sind alle drei Varianten gut geeignet. Es wird deutlich, dass die Teilchen einen sehr großen Abstand zueinander haben und keine Anziehungskräfte zwischen ihnen herrschen (sie berühren sich nicht).
Die Darstellung einer Flüssigkeit gelingt ebenso mit allen drei Varianten. Dabei zeigt jedoch die Dreieckdarstellung am besten die ungeordnete Anordnung zwischen den Teilchen.
Für die Darstellung eines Festkörpers eignen sich Kugeln am besten. Hier wird deutlich, dass die Teilchen geordnet und eng beieinander liegen. Sie berühren sich an sehr vielen Stellen, d. h., die Anziehungskräfte sind sehr groß. Die geordnete Anordnung ist auch bei Dreiecken und Achtecken ersichtlich, allerdings ergeben sich durch die Formen zu wenige Kontaktpunkte zwischen den Teilchen.
Insbesondere in der Dreieckdarstellung sind kaum Berührungspunkte zwischen den Teilchen, sondern viel leerer Raum. Vergleicht man in der Dreieckdarstellung einen Festkörper und eine Flüssigkeit, dann würden die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen in einer Flüssigkeit größer sein als in einem Festkörper, da sich die Teilchen bei der Darstellung der Flüssigkeit deutlich stärker berühren.

Die Teilchen im Heliumgas sind sehr klein und bewegen sich sehr schnell. Dadurch stoßen die Helium-Teilchen ständig gegen die Ballonwand. Einige Teilchen finden dabei einen Weg durch die winzigen Lücken zwischen den Teilchen der Ballonhaut nach außen. Dieser Vorgang heißt Diffusion.

Stoffgemische bestehen aus mehreren Sorten Teilchen. Sie lassen sich durch Trennverfahren in ihre einzelnen Komponenten auftrennen. Reinstoffe bestehen nur aus einer Teilchensorte und lassen sich mit physikalischen Methoden nicht weiter trennen. Sie besitzen eine für den Stoff charakteristische Eigenschaftskombination.

a) Zuckerwasser, Kochsalzlösung, Speiseessig
b) Granit, Elektroschrott, Fertig-Backmischung
c) Milch, Mayonnaise, Hautcreme
d) Schlamm, Blut, Orangensaft
e) Bronze, Messing, Stahl

a)

b) Beispiel: Schwefelpulver ist ein Reinstoff. Es hat einheitlich gleich bleibende Eigenschaften und ist nur aus Schwefel-Teilchen aufgebaut. Kochsalzlösung ist ein Stoffgemisch. Sie besteht aus den Reinstoffen Wasser und Kochsalz. Die Eigenschaften dieser Reinstoffe bleiben im Stoffgemisch erhalten. Die Kochsalzlösung kann deshalb auch wieder in die beiden Reinstoffe getrennt werden, z. B. durch Destillation.

c) Homogene Stoffgemische:
Luft – Gasgemisch
Kochsalzlösung – Lösung
Apfelsaft (klar) – Lösung
Schmuckgold – Legierung

Heterogene Stoffgemische:
Ackerboden – Gemenge
Orangennektar – Suspension
Mayonnaise – Emulsion

d) Während die Teilchen im Salzkristall dicht gepackt sind und ihren festen Platz haben, sind die Wasser-Teilchen in ständiger, ungeordneter Bewegung. Beim Lösen prallen die Wasser-Teilchen auf die Salz-Teilchen. Manche Wasser-Teilchen schieben sich
dabei zwischen Salz-Teilchen, die sich am Rand des Kristalls befinden. Dabei werden die Anziehungskräfte zwischen den Salz-Teilchen geschwächt und einzelne Teilchen verlieren ihren Zusammenhalt untereinander. Sie werden von Wasser-Teilchen umgeben und vom Teilchenverband gelöst. Aufgrund der Diffusion verteilen sich die herausgelösten Salz-Teilchen mit der Zeit gleichmäßig unter
den Wasser-Teilchen. Es entsteht eine Lösung.

Die Angabe 50 % Fruchtgehalt auf dem Etikett einer Fruchtschorle bedeutet, dass 50 mL Sprudelwasser mit 50 mL eines Fruchtsafts (oder einer Saftmischung) gemischt werden, um ein Getränk mit einem Gesamtvolumen von 100 mL herzustellen.

a) Massenanteil

b)

Gegeben:

Masse \(m(\text{Joghurtdrink}) = 250 \, \text{g} \)

Massenanteil \(\omega(\text{Zucker}) = 0,142 \)

Gesucht:

Masse \(m(\text{Zucker}) \)

Berechnung:

\(m(\text{Zucker}) = \omega(\text{Zucker}) \cdot m(\text{Joghurtdrink}) \)

\(m(\text{Zucker}) = 0,142 \cdot 250 \, \text{g} \)

\(m(\text{Zucker}) = 35,5 \, \text{g} \)

Ergebnis:

Im Joghurtdrink sind \(35,5 \, \text{g} \) Zucker enthalten.

a)

© Cornelsen\Tom Menzel

b)

a) Bei einer Legierung werden verschiedene Metalle miteinander verschmolzen. Die Teilchen der unterschiedlichen Metalle lassen sich selbst unter dem Mikroskop nicht als getrennte Bestandteile erkennen.

b) Gemeinsamkeiten:

Bei beiden Gemischen handelt es sich um homogene Stoffgemische, d. h. die Teilchen sind gleichmäßig verteilt.

Unterschiede:

Bronze ist eine Legierung aus den Metallen Kupfer und Zinn. Bronze besteht daher aus Kupfer- und Zinn-Teilchen. Eine Zuckerlösung besteht aus Zucker-Teilchen, die zwischen den Wasser-Teilchen verteilt sind.

Die Eisenfeilspäne können mit einem Magneten entfernt werden, der am Gemisch vorbeigeführt wird. Nur Eisen ist magnetisierbar. Anschließend wird das Gemisch mit einem geeigneten Filter filtriert. Der Sand wird aufgrund seiner Partikelgröße vom Filter zurückgehalten. Zuletzt wird das Gemisch mit einem Brenner z. B. auf einem Uhrglas eingedampft (das Wasser geht verloren) oder destilliert (das Wasser wird aufgefangen), um das Kochsalz abzutrennen.

© Cornelsen\Tom Menzel

a) Nein, es handelt sich auch nach dem Homogenisieren weiterhin um eine Emulsion. Die Fetttröpfchen sind zwar kleiner als vor dem Homogenisieren, können aber immer noch mit einem Mikroskop sichtbar gemacht werden.

b)

© Cornelsen Verlag GmbH