Homogene Mischungen: Lösungen, Legierungen und Trennverfahren

Aspekte homogener Mischungen

Homogene Mischungen sind einheitlich, das heißt, jeder Teil hat die gleiche Zusammensetzung und die gleichen Eigenschaften. In diesen Gemischkomponenten können die Bestandteile nicht einmal mit Hilfe eines Elektronenmikroskops, dem leistungsfähigsten Instrument, unterschieden werden.

Homogene Mischungen werden auch als Lösungen bezeichnet. Je nach physikalischem Zustand der Mischung können Lösungen gasförmig, flüssig oder fest sein.

• Gasförmige Lösungen: Ein Gemisch bestehend aus Gasen, wie die Atmosphäre, die aus etwa 78 % Stickstoff, 21 % Sauerstoff und 1 % anderen Gasen besteht.

• Feste Lösungen oder Legierungen: Legierungen sind Mischungen aus zwei oder mehr Metallen in unterschiedlichen Anteilen. Die Herstellung dieser Legierungen erfolgt durch das Schmelzen der Metalle. Nach dem Mischen im angemessenen Verhältnis lässt man sie abkühlen und festwerden. Typische Legierungen sind:

• Bronze: Bronze ist seit prähistorischen Zeiten bekannt. Es ist eine Mischung aus Kupfer und Zinn. In der Antike wurde es zur Herstellung von Haushaltsgegenständen, Waffen und Skulpturen verwendet.

• Messing: Dies ist eine Legierung aus Kupfer und Zink. Es wird für dekorative Gegenstände verwendet und besitzt eine große Beständigkeit gegen Korrosion (Materialverschleiß).

• Stahl: Eine Legierung, die heute sehr häufig verwendet wird. Es ist eine Mischung aus Eisen mit einem kleinen Anteil an Kohlenstoff. Stahl wird in allen Arten von Maschinen und Instrumenten (Turbinen, Karosserien, Besteck etc.) eingesetzt. Eine bekannte Art ist der rostfreie Stahl, bei dem dem Eisen und Kohlenstoff zusätzlich Chrom und Nickel hinzugefügt werden.

• Gusseisen: Eine andere Art von Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit einem höheren Anteil an Kohlenstoff. Gusseisen wird für Bauteile im gesamten Entwicklungsprozess verwendet.

• Flüssige Lösungen: Die bekanntesten sind jene, die eine Mischung mit Wasser darstellen, auch als wässrige Lösungen bekannt. Wasser kann mit Gasen (z. B. Sauerstoff), Flüssigkeiten (z. B. Alkohol) und Feststoffen (wie Salz) gemischt werden.

  In einer flüssigen Lösung wird die wichtigste Komponente als Lösungsmittel bezeichnet, während die Minderheitskomponente der gelöste Stoff ist. In diesen Lösungen variieren die physikalischen Eigenschaften wie die Dichte oder der Gefrierpunkt des Lösungsmittels. Zum Beispiel liegt der Gefrierpunkt einer Salzwasserlösung unter dem von reinem Wasser, das bei 0 °C gefriert.

Die Konzentration einer Lösung

Wenn Sie Wasser mit Salz mischen, können Sie wählen, ob Sie viel oder wenig Salz hinzufügen. Im Vergleich dazu ist die Lösung, der wir mehr Salz hinzugefügt haben, konzentrierter als die zweite. Die Lösung mit weniger Salz bezeichnen wir als verdünnter. Doch was passiert, wenn wir weiterhin Salz hinzufügen? Es wird ein Punkt erreicht, an dem das Lösungsmittel (Wasser) kein weiteres Salz mehr aufnehmen kann. Dann setzt sich das überschüssige Salz am Boden des Behälters ab. Die Lösung ist dann gesättigt.

Berechnung der Konzentration eines gelösten Stoffes

Die Konzentration einer Lösung entspricht der Menge des gelösten Stoffes, die in einer bestimmten Menge der Lösung gelöst ist. Die allgemeine Formel lautet:

Es gibt zwei gängige Möglichkeiten für die Formel, da die Konzentration einer Lösung entweder als Gewichtsprozentsatz oder in Gramm pro Liter ausgedrückt wird:

Beispiel: Wenn wir eine Lösung von 20 Gramm Alkohol in 500 cm³ Wasser haben, wie hoch ist die Konzentration in Gewichtsprozent und in Gramm/Liter? (Hinweis: 1 cm³ Wasser entspricht 1 Gramm Wasser).

Gew.-% = (20 g Alkohol / 500 g Wasser) * 100 = 4 % Alkohol

Gramm / Liter = 20 g Alkohol / 0,5 Liter = 40 g / Liter

Trennung von homogenen Gemischen

In der Natur ist es schwierig, reine Stoffe zu finden; sowohl anorganische als auch organische Stoffe treten meist als Gemische auf. Die Industrie muss jedoch oft mit reinen Stoffen arbeiten. Je nach den Komponenten einer homogenen Mischung gibt es verschiedene Techniken zur Trennung:

• Trennung von Feststoffen aus Flüssigkeiten (Kristallisation): Das Ziel ist es, dass eine Komponente den Zustand ändert, während die andere gleich bleibt. Durch Verdampfen des Lösungsmittels bleibt der gelöste Stoff zurück. So wird beispielsweise Salz aus Wasser gewonnen: Das Wasser verdampft in großen Becken und das kristallisierte Salz bleibt zurück.

• Destillation: Mit dieser Technik werden die einzelnen Komponenten einer Lösung getrennt, indem man sich zunutze macht, dass jede Komponente einen anderen Siedepunkt hat. Die Lösung wird erhitzt; die Komponente, die zuerst verdampft, wird in einen Kondensator geleitet, dort abgekühlt und kehrt in den flüssigen Zustand zurück, um in einem Behälter aufgefangen zu werden. Diese Technik wird verwendet, um die Bestandteile von Erdöl (Kerosin, Benzin, Teer etc.) zu trennen.