Materie, Reinstoffe und Gemische: Definitionen, Gesetze und Trennverfahren

Materie: Definition und Übersicht

Materie ist alles, was Raum einnimmt und Masse besitzt. In der Natur kommt Materie als reine Stoffe und als Gemische vor.

Klassifizierung der Materie

Materie kann in zwei Hauptkategorien eingeteilt werden:

• Reine Stoffe — Stoffe mit fester Zusammensetzung und charakteristischen Eigenschaften.
• Gemische — Kombinationen aus zwei oder mehreren reinen Stoffen.

Elemente und Verbindungen

Reine Stoffe werden weiter unterteilt in Elemente und Verbindungen. Ein chemisches Element ist eine Klasse von Atomen, die alle dieselbe Anzahl von Protonen im Kern besitzen. Traditionell wird ein chemisches Element als ein Stoff definiert, der sich durch chemische Reaktionen nicht in einfachere Stoffe zerlegen lässt.

Eine Verbindung ist eine Substanz, die durch die Vereinigung von zwei oder mehr Elementen des Periodensystems in einem festen Verhältnis gebildet wird. Ein wesentliches Merkmal ist, dass eine Verbindung eine chemische Formel hat. Zum Beispiel ist Wasser eine Verbindung aus Wasserstoff und Sauerstoff im Verhältnis 2:1 (nach Anzahl der Atome).

Arten von Gemischen

Eine Mischung ist eine Kombination von zwei oder mehr Stoffen, bei der keine chemische Umwandlung stattfindet. Die beteiligten Stoffe behalten ihre Identität und ihre Eigenschaften. Ein Beispiel ist ein Gemisch aus Sand und Eisenspänen; Sand und Eisen sind auf den ersten Blick leicht zu unterscheiden und behalten ihre Eigenschaften.

Es gibt zwei Arten von Gemischen:

• Heterogene Gemische — das Erscheinungsbild unterscheidet sich von einem Teil zum anderen; sie bestehen aus zwei oder mehreren Phasen (Komponenten), die mit bloßem Auge unterscheidbar sind und unterschiedliche Mengenanteile aufweisen. Beispiele: Holz, Granit, Sand, Gestein, und Mischungen wie Wasser und Öl, Gemüsesuppe oder Salate.
• Homogene Gemische — Mischungen mit einheitlichem Erscheinungsbild und gleichmäßiger Zusammensetzung. Viele homogene Gemische werden als Lösungen bezeichnet; ihre Partikel sind so klein, dass sie optisch nicht ohne Vergrößerung unterschieden werden können.

Trennverfahren

Zur Trennung von Gemischen stehen verschiedene physikalische Verfahren zur Verfügung:

Filtration

Filtration ist ein Verfahren zur Trennung, das bei Gemischen aus Feststoffen und Flüssigkeiten oder Gasen angewandt wird. Die Mischung wird durch ein poröses Filtermedium geleitet (z. B. ein Filter), das die meisten Feststoffe zurückhält und die Flüssigkeit oder das Gas passieren lässt.

Sedimentation und Dekantieren

Sedimentation ist ein physikalisches Verfahren zur Trennung von Gemischen (vor allem heterogener Gemische) und kann bei Flüssig‑/Flüssig- oder Feststoff‑/Flüssig‑Gemischen angewendet werden. Aufgrund des Dichteunterschieds setzt sich die dichtere Komponente am Boden ab, wenn das Gemisch in Ruhe gelassen wird. Beim Dekantieren kann dann der obere Teil vorsichtig abgegossen werden.

Zentrifugation

Zentrifugation ist eine Methode, um Feststoffe von Flüssigkeiten unterschiedlichen Dichtegrades zu trennen, indem eine Zentrifuge das Gemisch einer Drehbewegung mit Kräften stärker als die Schwerkraft aussetzt. Dadurch lagern sich feste Partikel mit größerer Dichte ab.

Destillation

Destillation ist eine Technik zur Reinigung einer Flüssigkeit oder zur Trennung einer flüssigen Mischung. Sie besteht aus zwei Hauptphasen: Verdampfen der Flüssigkeit und Kondensation des Dampfes.

Wichtige Gesetze der Chemie und Atomtheorie

1. Gesetz der Erhaltung der Masse (Lavoisier)

In einer chemischen Reaktion ist die Summe der Massen der Edukte gleich der Summe der Massen der Reaktionsprodukte (Materie wird weder geschaffen noch zerstört, sondern nur umgewandelt). Dieses Ergebnis geht auf den französischen Chemiker Antoine Lavoisier zurück, der es 1774 formulierte. Früher glaubte man, Materie könne zerstört werden — als Beispiel wurde die verringerte Masse eines Kohlenstücks nach der Verbrennung angeführt. Lavoisier zeigte jedoch mithilfe einer Waage, dass bei Messung der Verbrennungsgase vor und nach dem Versuch die Gesamtmasse erhalten bleibt, wodurch klar wurde, dass Materie nicht zerstört wird.

2. Gesetz der konstanten Proportionen (Proust)

Im Jahr 1808 schloss Joseph Louis Proust nach umfangreicher Forschung, dass eine bestimmte Verbindung aus denselben chemischen Elementen stets im gleichen Massenverhältnis besteht. Eine wichtige Anwendung von Prousts Gesetz ist die Bestimmung der prozentualen Zusammensetzung einer Verbindung: der Anteil jedes Elements an der Gesamtmasse eines Moleküls.

3. Gesetz der multiplen Proportionen (Dalton, 1803)

John Dalton entwickelte die erste moderne Atomtheorie und formulierte 1803 das Gesetz der multiplen Proportionen: Wenn zwei Elemente mehr als eine Verbindung miteinander bilden können, stehen die Massen eines Elements, die sich mit einer festen Masse des anderen verbinden, zueinander in einem Verhältnis kleiner ganzer Zahlen.

Daltons Atomtheorie

John Dalton (1766–1844), britischer Chemiker und Physiker, formulierte eine bedeutende atomare Theorie der Materie im Jahr 1803. Seine Theorie fasst die quantitativen Gesetze der Chemie zusammen (z. B. das Gesetz der Erhaltung der Masse von Lavoisier, das Gesetz der konstanten Proportionen von Proust und sein eigenes Gesetz der multiplen Proportionen). Seine Theorie lässt sich wie folgt zusammenfassen:

1. Die chemischen Elemente bestehen aus winzigen, unteilbaren Teilchen, den Atomen.
2. Alle Atome eines bestimmten chemischen Elements sind in Masse und anderen Eigenschaften identisch.
3. Atome unterschiedlicher chemischer Elemente sind verschieden, insbesondere unterscheiden sich ihre Massen.
4. Atome sind unzerstörbar und behalten ihre Identität bei chemischen Veränderungen.
5. Verbindungen werden gebildet, wenn Atome verschiedener Elemente sich in einfachen ganzzahligen Verhältnissen verbinden und dadurch getrennte Einheiten (heute Moleküle) bilden.

Massenbegriffe, Stoffmenge und Formeln

Relative Molekülmasse

Die relative Molekülmasse ist eine Zahl, die angibt, wie vielmal die Masse eines Moleküls eines Stoffes im Vergleich zur atomaren Masseneinheit (u) ist. Sie wird durch Addition der relativen Atommassen der Elemente bestimmt, deren Atome ein Molekül dieses Stoffes bilden.

Atommasse

Die Atommasse ist die Masse eines Atoms in Ruhe. Eine gebräuchliche Einheit ist die atomare Masseneinheit (u). Die atomare Masse kann als die Gesamtmasse der Protonen und Neutronen in einem Atom betrachtet werden.

Molare Masse und Mol

Die molare Masse (Symbol M) eines Atoms oder Moleküls ist die Masse eines Mols dieses Teilchens in Gramm pro Mol (g/mol). Sie ist eine charakteristische physikalische Eigenschaft jeder reinen Substanz.

Der Mole (Symbol mol) ist die Einheit zur Angabe der Stoffmenge und gehört zu den sieben grundlegenden Einheiten des Internationalen Einheitensystems (SI).

Prozentuale Zusammensetzung und Summenformel

Die prozentuale Zusammensetzung gibt nicht nur den Massenanteil, sondern auch die Masse jedes Elements, die Teil einer Verbindung ist. Sie wird aus der Summenformel der Verbindung erhalten, da diese die Anzahl der Atome jedes Elements in der Verbindung angibt.

Empirische Formel

In der Chemie ist die empirische Formel der Ausdruck des einfachsten Verhältnisses, in dem die Atome in einer Verbindung vorkommen. Sie stellt das kleinste ganzzahlige Verhältnis der Atome dar und kann mit der Summenformel zusammenfallen oder von ihr abweichen, wobei die Summenformel die tatsächliche Anzahl der Atome im Molekül angibt.