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Die Chemie-Schule

Thema: Chemie - Die Lehre von den Stoffen

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3. Experimente zur eindeutigen Stoffbeschreibung

Erkennungsmerkmale von Stoffen: ihre Eigenschaften

Jeder Mensch besitzt Eigenschaften, die er mit anderen teilt, und solche, die ihn einzigartig machen: Augenfarbe, Haarfarbe, Hautfarbe, Form der Augen, des Kopfes und der Ohren, Größe, Gewicht, Blutgruppe, Geschlecht usw. Unter mittlerweile mehr als 7 Milliarden Menschen kann man anhand der Summe solcher Eigenschaften eine einzige bestimmte Person charakterisieren.

In der Chemie sind mittlerweile sehr viele Stoffe bekannt - eine Zahl in zweistelliger Millionenhöhe. Um die Stoffe voneinander unterscheiden zu können, bestimmt man ihre Eigenschaften. Wie in dem Beispiel mit den Menschen gibt es auch in der Chemie Stoffeigenschaften, die manche Stoffe mit anderen gemeinsam haben, und solche, die sie von anderen unterscheiden.

Aggregatzustände

Eisberg-Aggregatzustände des Wassers
Bild 1. Auf diesem Foto sieht man das Wasser in allen drei Aggregatzuständen.
 
Fülle ein Becherglas etwa bis zur Hälfte mit destilliertem Wasser. Erhitze nun etwa fünf Minuten und achte auf die Siedetemperatur. Erhitze nun Salzwasser (etwa 5 bis 10 Minuten) und kontrolliere auch hier die Siedetemperatur.

 
Ein Schmelzpunktröhrchen wird mit Naphthalin gefüllt (bis auf 2 bis 3 mm) und bringt es in ein mit Wasser gefülltes Gerät zur Schmelzpunktbestimmung (siehe Bild 2). Erhitze nun leicht und lies die Temperatur ab, wenn das Naphthalin flüssig wird
Bild 2. Schematische Zeichnung zur Schmelzpunktbestimmung
 
In ein Uhrglas wird Kochsalzlösung gebracht und über einer kleinen Brennerflamme eingedampft.
 
Schmelzpunkt, Siedepunkt, Dichte, Löslichkeit, Brennbarkeit und Leitfähigkeit sind Stoffeigenschaften, die experimentell bestimmt werden können

Ein Festkörper hat eine bestimmte Form und ein bestimtes Volumen, eine Flüssigkeit hat ein bestimmtes Volumen, aber keine bestimmte Form. Die hängt nämlich von dem Behälter ab, in dem sie sich befindet. Ein Gas hat weder ein bestimmtes Volumen, noch eine bestimmte Form. Ein Gas füllt seinen Behälter immer vollständig aus und ist sehr viel leichter als eine Flüssigkeit oder ein Festkörper. Der Stoff H2O kann ein Festkörper sein (Eis), eine Flüssigkeit (Wasser) oder ein Gas (Dampf). Wasser ändert seinen Aggregatzustand, wenn man es erhitzt oder abkühlt.

Eins der wichtigsten Erkennungsmerkmale eines Stoffes ist daher sein Aggregatzustand bei Raumtemperatur und Normaldruck (1013 Hektopascal). Leben ist nur durch die Gase Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid möglich, bei gleichzeitiger Anwesenheit von ausreichend viel flüssigem Wasser. Für die Stabilität des lebendigen Körpers ist die Existenz von Feststoffen unabdingbar. Was für Pflanzen die Zellulose, ist das Chitin für Insekten und die Knochen für Wirbeltiere.

Schmelz- und Siedepunkt

Der Aggregatzustand eines Stoffes hängt von der Temperatur ab, bei der er schmilzt oder erstarrt bzw. siedet oder kondensiert. Schmelz- und Siedepunkte hängen von den Teilchen ab, aus denen ein Stoff besteht. Das heißt, dass:

  1. keine zwei Substanzen die selben Schmelz- und Siedepunkte haben
  2. Schmelz- und Siedepunkt einer Substanz sich ändert, wenn man auch nur geringste Mengen einer anderen Substanz beimischt.

Daher kann man durch die Bestimmung von Schmelz- und Siedepunkt eine Menge über einen Stoff herausfinden:

  1. Man kann bestimmen, um welchen Stoff es sich handelt
  2. Man kann erkennen, ob es sich um einen Reinstoff oder um ein Gemisch handelt
Auch Eisen und sogar Diamanten können schmelzen und sieden. Die Tabelle zeigt einige Schmelz- und Siedepunkte von Stoffen
Stoff Schmelzpunkt °C Siedepunkt °C
Sauerstoff -219 -183
Ethanol -114 78
Natrium 98 890
Schwefel 119 445
Eisen 1450 2900
Diamant 3550 4832

Wenn man Salz in Wasser löst, so hat das Salzwasser einen höheren Siedepunkt als Leitungswasser. Wenn Salzwasser siedet, dann verdampft laufend Wasser und man beobachtet ein langsames Ansteigen der Siedetemperatur (Siedebereich) (Versuch 1). Da das Wasser kontinuierlich verdampft, steigt der Anteil des Salzes im Wasser, daher hängt der Siedepunkt also von der Menge des gelösten Salzes im Salzwasser ab.

Mischungen haben einen Siedebereich. Reinstoffe haben einen festen Siedepunkt.

Bild 3. Video: Wie der Siedepunkt vom Luftdruck abhängt
 

Nur Reinstoffe haben also einen festen Schmelzpunkt. Das Wasser des Meeres hat einen tieferen Gefrierpunkt als das Wasser eines Sees. Meerwasser hat einen tieferen Gefrierpunkt als reines Wasser. Der Gefrierpunkt einer Mischung hängt wie der Siedepunkt von den Anteilen der gemischten Stoffe ab. Bei der Bestimmung des Schmelz- und Siedepunktes von Stoffen werden Zahlen ermittelt, diese Art der Stoffbestimmung ist daher sehr zuverlässig. Die Bestimmung von Schmelz- und Siedepunkt reicht daher in vielen Fällen bereits aus, um einen Stoff eindeutig zu erkennen.

Bild 4. Destilliertes Wasser ist ein Reinstoff und hat deshalb einen festen Siedepunkt. Bei Salzwasser steigt die Siedetempertur während des Kochens innerhalb eines bestimmten Bereichts an (Siedebereich); es ist kein Reinstoff.

Will man nicht nur Messpunkte, sondern ganze Messbereiche aufzeichnen (beispielsweise die steigende Siedetemperatur von Salzwasser während des Kochens wie oben beschrieben) eignen sich sogenannte Datenlogger (von PCE Instruments) besonders gut dafür.

Die Löslichkeit

 
Eine Lösung ist ein einheitliches Gemenge eines Lösungsmittels mit dem darin gelösten Stoff. Das Gemenge kann wieder in seine Bestandteile zerlegt werden

Wenn man zu Wasser eine geringe Menge Salz oder Zucker gibt, kann man sehen, dass sich die Feststoffe langsam auflösen. Demnach ist Wasser ein Lösungsmittel für Zucker und Salz. Im Lösungsmittel Benzin löst sich dagegen Salz nicht auf.

Daher muß das Lösungsmittel bei Aussagen wie «löslich» oder «unlöslich» immer angegeben werden.

ChemikerInnen bezeichnen Salz- oder Zuckerwasser als Salzlösung bzw. Zuckerlösung. Fett löst sich nicht in Wasser auf, in Benzin hingegen schon. Chemische Reinigungsbetriebe bedienen sich einer Vielzahl von Lösungsmitteln, mit denen Schmutz gelöst und so beseitigt werden kann.

Eigenschaften von Stoffen, die für sie kennzeichnend sind
  Schmelz-
punkt
°C
Siede-
punkt
°C
Löslichkeit
in Wasser
Brenn-
barkeit
Elektrische
Leitfähigkeit
Ethanol − 112 78,2
Blei 326,4 1750
Schwefel 119 444,6

Der Begriff Löslichkeit ist sehr genau definiert:

Die Löslichkeit wird in Gramm (g) Reinstoff pro 100 g Lösungsmittel angegeben. Sie hängt davon ab, aus welchen Stoffen eine chemische Verbindung zusammengesetzt ist, beispielsweise ist die Löslichkeit der beiden Metallverbindungen Silbernitrat und Silberchlorid in Wasser höchst unterschiedlich, wie die Tabelle unten zeigt.

Die Löslichkeit einer chemischen Verbindung hängt davon ab, aus welchen Stoffen sie besteht.
Verbindung Masse in g, die sich in 100 g Wasser bei 25°C lösen
Silbernitrat 241,3 Die Löslichkeit nimmt von oben nach unten ab!
Calciumnitrat 102,1
Magnesiumchlorid 53,0
Kalimnitrat 37,9
Kaliumsulfat 12,0
Calciumhydroxid 0,113
Calciumcarbonat 0,0013
Silberchlorid 0,0002

Wie man die Löslichkeit eines Stoffes bestimmt

Für den Versuch eignet sich Kaliumsulfat. Folgendes ist zu tun:

  1. Wiege 2 g Kaliumsulfat aus und bringe die Probe in ein Reagenzglas. Gib etwas Wasser aus einem Messzylinder hinzu.
  2. Erhitze das Reagenzglas über einer Brennerflamme, das Wasser soll aber nicht sieden. Falls nötig, gib soviel Wasser bis zu dem Punkt hinzu, an dem alles Kaliumsulfat gelöst ist.
  3. Laß die Lösung unter Umrühren mit einem Glasthermometer abkühlen. Notiere die Temperatur, bei der sich wieder die ersten Kristalle bilden.

Da du die Masse des gelösten Kaliumsulfats sowie das Volumen des benötigten Wassers kennst, kannst du die Löslichkeit berechnen. Schauen wir uns aber noch einmal den letzten Schritt an. Wenn du erneut etwas Wasser zugibst, erneut erhitzt und abkühlst, kannst du die Löslichkeit bei einer niedrigeren Temperatur bestimmen. So kannst du die Löslichkeit des Kaliumsulfats für einen ganzen Temperaturbereich bestimmen.

Berechnung der Löslichkeit
 
Viele brennbare Stoffe sind äußerst feuergefährlich

Die Brennbarkeit

 
Feststoffe und Lösungen werden in der Physik unter anderem in Leiter und Nichtleiter eingeteilt

Die Einordnung von Stoffen anhand ihrer Brennbarkeit ist eine wichtige Aufgabe beim Brandschutz. Eine erste Einteilung erfolgt, ob der Stoff brennbar oder nicht brennbar ist.

Eine für den Alltag oder auch für Feuerwehren viel wichtigere Eigenschaft eines Stoffes ist seine Entflammbarkeit. Die meisten organischen Verbindungen sind brennbar, manche Kunststoffe sind jedoch schwer entflammbar und damit auch für den Brandschutz geeignet.

Unter den brennbaren Stoffen gibt es viele besonders feuergefährliche Stoffe. Sie können explosionsartig abbrennen, weshalb Behälter und Tanklastzüge mit brennbaren Stoffen besonders gekennzeichnet werden müssen (Bild 1, Kapitel 13). Beim Umfüllen brennbarer Flüssigkeiten ist äußerste Vorsicht geboten: kein offenes Feuer, kein elektrischer Zündfunke!

Die elektrische Leitfähigkeit

 
 
Prüfe die elektrische Leitfähigkeit entsprechend der Bilder 5 - 7.
Leitfähikeitsmessungen dürfen auf keinen Fall mit 220 V (Netzspannung) durchgeführt werden.
 
Die Stoffe Wasser und Alkohol - Puderzucker und Mehl - Eisen und Blei kann man jeweils durch eine gemeinsame Eigenschaft eindeutig unterscheiden. Welche sind dies?

Besonders Metalle sind gute Leiter für den elektrischen Strom, Glas oder viele Kunststoffe dagegen nicht. Feststoffe kann man anhand dieser Eigenschaft also in Leiter und Nichtleiter einteilen.

Bei Versuch Versuch 4 können wir beobachten, dass auch bestimmte Lösungen den elektrischen Strom leiten. Die Einteilung in Leiter und Nichtleiter gilt also auch für Flüssigkeiten. Kommen Elektrogeräte mit Flüssigkeiten in Berührung, muß man äußerst vorsichtig sein. Beispielsweise kann man von tödlichen Unfällen durch einen Stromschlag immer wieder hören, die sich beispielsweise in Badezimmern ereignen.

Bild 5. Bei diesem Versuchsaufbau werden die Punkte A und B zur Schließung des Stromkreises mit einem Glasstab und dann mit einem Magnesiumband verbunden.
Bild 6. Mit dieser Versuchsanordnung prüft man die elektrische Leitfähigkeit von Salzwasser und dann von Zuckerwasser. In die Lösung tauchen Kohlestäbe.
Bild7. Mit diesem Versuchsaufbau kann die elektrische Leitfähigkeit von Flüssigkeiten geprüft werden. Das Schemabild zeigt, dass der Stromkreis an einer Stelle unterbrochen ist. Die Flüssigkeit schließt nun den Stromkreis wieder.