Stoffe

1.1.1 Gemische und reine Stoffe

Die Chemie unterteilt die uns umgebende Materie in unterschiedliche Stoffe. Sie konnen je nach den vorliegenden Zustandsbedingungen, charakterisiert durch die Zustandsgrojien Temperatur und Druck, in drei verschiedenen Aggregatzustanden auftreten: als Gas, als Flussigkeit oder als Feststoff. Ein Gas kann im Prinzip jedes beliebige Volumen einneh – men, es hat keine spezifische Form. Verkleinert man das Volumen eines Gases, so wird es komprimiert. Bei Volumenvergrofierung expandiert es. Das bekannteste und fur das Bau – wesen wichtigste Gas ist die Luff (Кар. 5). Die Verwendung des Begriffes Dampf fur Gase erfolgt haufig dann, wenn Gleichgewichtsprozesse zwischen einem Gas und der zu – gehorigen Flussigkeit betrachtet werden (z. B. Wasserdampf als gasformiges Wasser, das mit flussigem Wasser in Kontakt steht). Auch eine Flussigkeit hat keine definierte Form. Sie nimmt jeweils die Form des GefaBes an, in dem sie sich befindet. Fur eine gegebene Temperatur besitzt eine Flussigkeit jedoch ein konstantes Volumen. Als wichtige Beispiele ftir Flussigkeiten sollen Wasser und Benzin genannt werden. Ein fester Stoff ist sowohl

R. Benedix, Bauchemie, DOI 10.1007/978-3-8348-9944-6_1,

© Vieweg+Teubner Verlag | Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2011

durch ein definiertes Volumen als auch durch eine spezifische Form charakterisiert. Er ist – ebenso wie die Flussigkeit – kaum komprimierbar. Beispiele fur Feststoffe sind Sand und Zement, aber auch Salz und Zucker.

Die Druck – und Temperaturabhangigkeit des Aggregatzustandes eines Stoffes soli am Bei – spiel des Wassers gezeigt werden. Unter Atmospharendruck (1013,25 mbar = 101325 Pa) liegt Wasser bei 25°C in fltissiger Form vor. Oberhalb von 100°C geht es als Wasserdampf in die Gasphase tiber und bei 0°C gefriert es zu Eis. Den Ubergang von einer Flussigkeit zum Feststoff bezeichnet man als Erstarren, speziell beim Wasser als Gefrieren. Der Erstammgspunkt (Gefrierpunkt) kennzeichnet somit die Temperatur, bei der sich ein Stoff unter Normaldruck zu verfestigen beginnt. Flussigkeit und Festkorper liegen im Gleichgewicht vor. Wahrend des Gefrierens bleibt die Temperatur des fest/flussigen Systems konstant bis die gesamte Flussigkeit gefroren ist. Schmelzpunkt (Abk.: Smp.) und Siedepunkt (Abk.: Sdp.) bezeichnen die Temperaturen, bei denen sich der Ubergang des Aggregatzustandes von fest nach flussig (Schmelzen) beziehungsweise von flussig nach gasformig (Verdampfen) vollzieht. In der Mehrzahl der Falle sind Schmelz – und Erstarrungstemperatur identisch. Wasser gefriert bei 0°C zu Eis und Eis schmilzt exakt am Nullpunkt der Celsius-Skala. Senkt den man den Druck auf die Halfte seines Wertes (506,6 mbar), so siedet das Wasser bereits bei 82°C, wahrend der Gefrierpunkt praktisch konstant bleibt (s. Кар. 6.2.3.1).

Anderungen des Aggregatzustandes wie die Umwandlung von Eis in Wasser oder der Ubergang des flussigen Wassers in gasformigen Dampf sind Beispiele fur physikalische Prozesse. Es entstehen keine neuen Substanzen und die stochiometrische Zusammenset – zung der betrachteten Stoffe bleibt unverandert. Bei chemischen Veranderungen, oder besser chemischen Reaktionen, entstehen neue Stoffe, die sich bezuglich ihrer Eigen­schaften von den Ausgangsstoffen (Edukten) unterscheiden. Verbrennt man Wasserstoff in Luft, erfahrt er eine chemische Veranderung. Er wird in Wasser tiberfuhrt. Dieses Wasser kann durch den elektrischen Strom wieder zersetzt werden und die dabei entstehenden Gase gehen selbst bei 0°C nicht wieder in den flussigen Zustand tiber. Das heiBt, die bei – den entstandenen Stoffe weisen vollig neue physikalische und chemische Eigenschaften auf. Sie sind durch einen physikalischen Vorgang nicht wieder in Wasser umwandelbar. Die Brennbarkeit von Wasserstoff ist eine seiner chemischen Eigenschaften. Chemische Reaktionen sind in der Regel mit Energieanderungen, d. h. Aufnahme oder Abgabe von Energie in Form von Warme oder Licht, verbunden.

Die Gesamtheit der Stoffe lasst sich wie folgt einteilen:

Gesamtheit aller Stoffe

Подпись: ir

Gemische Reine Stoffe

heterogene homogene Elemente Verbindungen

Gemische Gemische

(Gemenge)

Haufig lasst sich bereits mit bloBem Auge der uneinheitliche Aufbau eines Stoffes fest – stellen, mitunter bedarf es dazu aber erst einer Lupe oder eines Mikroskops. Beispiele fur uneinheitlich aufgebaute Stoffe sind Aufschlammungen von Sand in Wasser oder Granit. Beim Granit kann man mit bloBem Auge klar voneinander abgegrenzte Anteile erkennen (Abb. 1.1): WeiBe oder graue, sehr harte Anteile aus Quarz, schwarz glanzende, in Blatt – chen spaltbare Anteile aus Glimmer und farbige (meist rotliche oder gelbe) weiche Anteile aus Feldspat. Die einzelnen, in sich homogenen Bestandteile (Phasen) bilden ein hetero­genes Gemisch oder ein heterogenes System (Tab. 1.1). Unter einer Phase versteht man einen chemisch einheitlich aufgebauten Stoff, der von den anderen Teilen (Phasen) des heterogenen Systems durch Phasengrenzen getrennt ist. An den Phasengrenzen andem sich

Подпись:Abbildung 1.1

Schliffbild von Granit

Da Gase unbegrenzt mischbar sind, bilden Gasgemische unter normalen Bedingungen nur eine Phase. Dagegen konnen in flussig-fltissigen, fliissig-festen oder fest-festen heteroge­nen Gemischen mehrere Phasen nebeneinander vorliegen. In einem Eisen-Schwefel-Ge – menge existieren z. B. zwei feste, in Kalkmilch (Calciumhydroxid/Wasser) eine feste und eine flussige und im Granit drei feste Phasen nebeneinander. Ein Gemisch aus 01 und Wasser – beide Flussigkeiten sind nicht miteinander mischbar – enthalt zwei flussige Pha­sen nebeneinander. Das Gasgemisch Luft besteht aus einer gasformigen Phase.

Im Gegensatz zu den heterogenen Gemengen gibt es Mischungen von Stoffen, die ein ein – heitliches Erscheinungsbild zeigen. Sie werden als homogene Gemische oder homogene Systeme bezeichnet. Die einzelnen Bestandteile der Stoffe sind so fein ineinander verteilt, dass sie selbst mit dem Mikroskop nicht mehr zu unterscheiden sind. Zu den homogenen Gemischen gehoren vor allem Losungen (echte Losungen), aber auch Gasgemische sowie die in Form von Mischkristallen vorliegenden Legierungen. Als Beispiel fur eine wassrige Losung soli das Meerwasser angefuhrt werden, das eine Losung von Salzen (vor allem Natriumchlorid) und organischen Stoffen im Losungsmittel Wasser darstellt. Im Gegensatz zu heterogenen Gemischen weisen echte Losungen konstant die gleichen Eigenschaften auf.

Da in einem Gemisch die Eigenschaften der einzelnen Bestandteile im Wesentlichen erhal – ten bleiben, kann es auf physikalischem Wege wieder in seine Bestandteile zerlegt werden. Dabei nutzt man typische Stoffeigenschaften der Komponenten des Gemischs fur die je –

weiligen Trennoperationen aus, wie z. B. die TeilchengroBe, die Dichte, die Loslichkeit, den Siedepunkt oder die Adsorbierbarkeit.

Tabelle 1.1 Beispiele for homogene und heterogene Mischungen

Komponenten

Homogene Gemische

Heterogene Gemische

Trennverfahren

fest – fest

Mischkristallbildende Le – gierungen, z. B. Bronze, Messing

Beton, Granit, Guss – eisen

Sieben, Schlammen, Losen in Saure

fest-

fliissig

wassrige Kochsalzlosung, Zuckerlosung

Suspensionen (Sand in Wasser), Schlamm

Filtrieren, Abdampfen

fest-

gasformig

Wasserstoff oder Sauer – stoff in Metallen

Rauch (z. B. RuBteil – chen in Luft)

porose Feststoffe wie Bimsstein, Ziegelstein, Porenbeton

Elektrofilter

Mahlen

flussig – flussig

Alkohol-W asser-Mischun – gen, verd. Sauren

Bitumen – und Teer – emulsionen, Fett – tropfen in Wasser

Absetzenlassen, Zentrifu – gieren, Ausffieren, Destil – lieren

flussig – gasformig

Kohlendioxid oder Sauer – stoff in Wasser gelost

Schaum, Sprays, Ne- bel (Wassertropfchen in Luft)

Entmischung durch Ruh – ren oder Temperaturande – rung, Absorption der gas – formigen Komponente

gasformig – gasformig

Gasgemische (z. B. Luft)

keine Beispiele, Gase mischen sich homogen

Luftverflussigung und fraktionierte Destination, Absorption bzw. Adsorp­tion einer Gaskomponente

Eines der bekanntesten Trennverfahren ist die Filtration. Mit Hilfe der Filtration ist die Trennung von Feststoffen und Flussigkeiten, aber auch von Feststoffen und Gasen mog – lich. Beispiele aus dem taglichen Leben sind Luft – und Olfilter in Kraftfahrzeugen, Filter – vorrichtungen in Kaffeemaschinen, Luftfilter in Heizungsanlagen. Die Destination als Trennverfahren nutzt die unterschiedliche Fliichtigkeit der Stoffe, d. h. ihre unterschiedli – che Neigung, in den gasformigen Zustand uberzugehen, aus. Sie findet Anwendung in den groBen Raffinerien zur Auftrennung von Erdol in Benzin, Heizol und Schmierole sowie zur Herstellung von Weinbranden aus Wein. Bevorzugte Trennoperationen im Bauwesen sind vor allem das Sieben und das Schlammen zur Auftrennung fester Gemenge.

Der reine Stoff besitzt eine genau definierte Zusammensetzung und kann durch eine Reihe physikalisch-chemischer Eigenschaften (Stoffkonstanten) charakterisiert und eindeutig identifiziert werden. Die wichtigsten sind Schmelz – und Siedepunkt, Dichte, dielektrisches Verhalten sowie elektrische und Warmeleitfahigkeit. Schmelz – und Siedepunkt ermogli – chen eine schnelle und eindeutige Charakterisierung von Feststoffen und Flussigkeiten. Reine Feststoffe besitzen einen scharfen Schmelzpunkt, reine Flussigkeiten sieden bei ei – ner konstanten Temperatur. Zum Beispiel schmilzt Kaliumnitrat KN03 bei exakt 339°C. Bereits geringe Verunreinigungen bzw. Zusatze setzen den Schmelzpunkt herab und erho –

hen andererseits den Siedepunkt (Кар. 6.2.3.2). Im Gegensatz zur Schmelztemperatur hangt die Siedetemperatur stark vom Druck ab.

Durch Zusatz anorganischer Salze wie NaCl und MgCl2 oder organischer Stoffe wie Ethy – lenglycol und Glycerin kann der Gefrierpunkt des Wassers gezielt abgesenkt werden. Die Gefrierpunktsemiedrigung spielt beim Einsatz von Taumitteln im Winterdienst eine wich – tige Rolle. Spezielle Eigenschaften wie die Absorption elektromagnetischer Strahlung, das magnetische Verhalten und die elektrische Leitfahigkeit bilden die Grundlage von Analy – senmethoden, die sowohl im Labor als auch,,vor Ort“ qualitative oder quantitative Aussa – gen hinsichtlich der Zusammensetzung von Wassem, von Baustoffen oder etwa von Aus- bliihungen (Salzablagerungen auf Baustoffoberflachen) erlauben.

Man unterscheidet zwei Arten von reinen Stoffen: Elemente und Verbindungen. Elemente sind Stoffe, die mit den Mitteln des Chemikers, d. h. mit begrenzter Energiezufuhr in Form von Warme, Licht, mechanischer oder elektrischer Energie, nicht weiter zerlegbar sind. Verbindungen sind aus Elementen aufgebaut, sie konnen mit chemischen Methoden in die Elemente zerlegt werden.