1.3: Einteilung der Materie

Reine Stoffe und Gemische

Ein reiner chemischer Stoff ist jeder Stoff, der eine feste chemische Zusammensetzung und charakteristische Eigenschaften hat. Sauerstoff zum Beispiel ist ein reiner chemischer Stoff, der bei 25 °C ein farbloses, geruchloses Gas ist. Die wenigsten Stoffproben bestehen aus reinen Stoffen, die meisten sind Gemische, d. h. Kombinationen aus zwei oder mehr reinen Stoffen in variablen Anteilen, bei denen die einzelnen Stoffe ihre Identität behalten. Luft, Leitungswasser, Milch, Schimmelkäse, Brot und Schmutz sind allesamt Gemische. Wenn sich alle Teile eines Stoffes im gleichen Zustand befinden, keine sichtbaren Grenzen haben und überall gleich sind, dann ist der Stoff homogen. Beispiele für homogene Gemische sind die Luft, die wir atmen, und das Leitungswasser, das wir trinken. Homogene Gemische werden auch als Lösungen bezeichnet. So ist Luft eine Lösung aus Stickstoff, Sauerstoff, Wasserdampf, Kohlendioxid und verschiedenen anderen Gasen; Leitungswasser ist eine Lösung aus kleinen Mengen verschiedener Stoffe in Wasser. Die spezifischen Zusammensetzungen dieser beiden Lösungen sind jedoch nicht festgelegt, sondern hängen sowohl von der Quelle als auch vom Ort ab; so ist beispielsweise die Zusammensetzung des Leitungswassers in Boise, Idaho, nicht dieselbe wie die des Leitungswassers in Buffalo, New York. Obwohl die meisten Lösungen, denen wir begegnen, flüssig sind, können Lösungen auch fest sein. Die graue Substanz, die von einigen Zahnärzten immer noch zum Füllen von Zahnlöchern verwendet wird, ist eine komplexe feste Lösung, die zu 50 % aus Quecksilber und zu 50 % aus einem Pulver besteht, das hauptsächlich Silber, Zinn und Kupfer sowie geringe Mengen an Zink und Quecksilber enthält. Feste Lösungen aus zwei oder mehr Metallen werden allgemein als Legierungen bezeichnet.

Wenn die Zusammensetzung eines Materials nicht völlig einheitlich ist, dann ist es heterogen (z. B. Keksteig, Blauschimmelkäse und Schmutz). Mischungen, die homogen zu sein scheinen, erweisen sich bei der mikroskopischen Untersuchung oft als heterogen. Milch zum Beispiel scheint homogen zu sein, aber wenn man sie unter dem Mikroskop untersucht, besteht sie eindeutig aus winzigen Fett- und Proteinkügelchen, die in Wasser verteilt sind. Die Bestandteile heterogener Gemische können in der Regel mit einfachen Mitteln getrennt werden. Fest-Flüssig-Gemische wie Sand in Wasser oder Teeblätter in Tee lassen sich leicht durch Filtration trennen. Dabei wird das Gemisch durch eine Barriere, z. B. ein Sieb, mit Löchern oder Poren geleitet, die kleiner sind als die Feststoffteilchen. Im Prinzip können Mischungen aus zwei oder mehr Feststoffen, wie z. B. Zucker und Salz, durch mikroskopische Untersuchung und Sortierung getrennt werden. In der Regel sind jedoch komplexere Verfahren erforderlich, wie z. B. bei der Trennung von Goldnuggets aus Flusskies durch Schwenken. Zunächst werden die Feststoffe aus dem Flusswasser gefiltert, dann werden die Feststoffe durch Inspektion getrennt. Ist das Gold in Gestein eingebettet, muss es möglicherweise mit chemischen Methoden isoliert werden.

Abbildung 1.2.2: Ein heterogenes Gemisch. Unter dem Mikroskop ist Vollmilch eigentlich ein heterogenes Gemisch, das aus in Wasser verteilten Fett- und Eiweißkügelchen besteht. Abbildung mit Genehmigung von Wikipedia

Homogene Gemische (Lösungen) können durch physikalische Verfahren in ihre Bestandteile getrennt werden, die auf Unterschieden in einer physikalischen Eigenschaft beruhen, z. B. auf Unterschieden in ihren Siedepunkten. Zwei dieser Trennverfahren sind Destillation und Kristallisation. Bei der Destillation macht man sich die unterschiedliche Flüchtigkeit zunutze, ein Maß dafür, wie leicht sich ein Stoff bei einer bestimmten Temperatur in ein Gas umwandelt. Eine einfache Destillationsapparatur zur Trennung eines Gemischs von Stoffen, von denen mindestens einer eine Flüssigkeit ist. Die flüchtigste Komponente siedet zuerst und kondensiert im wassergekühlten Kondensator zu einer Flüssigkeit zurück, aus der sie in den Auffangkolben fließt. Wird zum Beispiel eine Lösung aus Salz und Wasser destilliert, so sammelt sich die flüchtigere Komponente, das reine Wasser, im Auffangkolben, während das Salz im Destillationskolben verbleibt.

Abbildung 1.2.3: Die Destillation einer Lösung von Kochsalz in Wasser. Die Lösung von Salz in Wasser wird im Destillierkolben bis zum Sieden erhitzt. Der entstehende Dampf ist mit der flüchtigeren Komponente (Wasser) angereichert, die im kalten Kondensator zu einer Flüssigkeit kondensiert und dann im Auffangkolben gesammelt wird.

Gemische von zwei oder mehr Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Siedepunkten können mit einem komplexeren Destillationsapparat getrennt werden. Ein Beispiel ist die Raffination von Rohöl zu einer Reihe von nützlichen Produkten: Flugkraftstoff, Benzin, Kerosin, Dieselkraftstoff und Schmieröl (in der ungefähren Reihenfolge der abnehmenden Flüchtigkeit). Ein weiteres Beispiel ist die Destillation von alkoholischen Getränken wie Branntwein oder Whiskey. Dieses relativ einfache Verfahren bereitete den Bundesbehörden in den 1920er Jahren während der Prohibition mehr als nur ein wenig Kopfzerbrechen, als sich illegale Destillierapparate in abgelegenen Regionen der Vereinigten Staaten ausbreiteten.

Die Kristallisation trennt Gemische auf der Grundlage von Unterschieden in der Löslichkeit, einem Maß dafür, wie viel feste Substanz in einer bestimmten Menge einer bestimmten Flüssigkeit aufgelöst bleibt. Die meisten Stoffe sind bei höheren Temperaturen besser löslich, so dass ein Gemisch aus zwei oder mehr Stoffen bei erhöhter Temperatur aufgelöst und dann langsam abgekühlt werden kann. Alternativ kann man die Flüssigkeit, das so genannte Lösungsmittel, auch verdampfen lassen. In beiden Fällen bildet die am wenigsten lösliche der gelösten Substanzen, also diejenige, die am wenigsten wahrscheinlich in Lösung bleibt, in der Regel zuerst Kristalle, und diese Kristalle können durch Filtration aus der verbleibenden Lösung entfernt werden.

Abbildung 1.2.4: Die Kristallisation von Natriumacetat aus einer konzentrierten Lösung von Natriumacetat in Wasser. Die Zugabe eines kleinen „Impfkristalls“ (a) bewirkt, dass die Verbindung weiße Kristalle bildet, die wachsen und schließlich den größten Teil des Kolbens ausfüllen. Das Video ist hier zu finden: https://www.youtube.com/watch?v=BLq5NibwV5g

Die meisten Gemische können in reine Substanzen getrennt werden, die entweder Elemente oder Verbindungen sein können. Ein Element, wie z. B. graues, metallisches Natrium, ist ein Stoff, der nicht durch chemische Veränderungen in einfachere Stoffe zerlegt werden kann; eine Verbindung, wie z. B. weißes, kristallines Natriumchlorid, enthält zwei oder mehr Elemente und hat chemische und physikalische Eigenschaften, die sich in der Regel von denen der Elemente, aus denen es besteht, unterscheiden. Bis auf wenige Ausnahmen hat eine bestimmte Verbindung unabhängig von ihrer Herkunft oder Geschichte die gleiche elementare Zusammensetzung (die gleichen Elemente in den gleichen Anteilen). Die chemische Zusammensetzung eines Stoffes wird durch einen Prozess verändert, der als chemische Veränderung bezeichnet wird. Die Umwandlung von zwei oder mehr Elementen, wie z. B. Natrium und Chlor, in eine chemische Verbindung, Natriumchlorid, ist ein Beispiel für eine chemische Veränderung, die oft als chemische Reaktion bezeichnet wird. Derzeit sind etwa 115 Elemente bekannt, aber Millionen von chemischen Verbindungen wurden aus diesen 115 Elementen hergestellt. Die bekannten Elemente sind im Periodensystem aufgeführt.

Im Allgemeinen werden Verbindungen durch einen umgekehrten chemischen Prozess in ihre Elemente zerlegt. Zum Beispiel kann Wasser (eine Verbindung) durch einen Prozess, der Elektrolyse genannt wird, in Wasserstoff und Sauerstoff (beides Elemente) zerlegt werden. Bei der Elektrolyse liefert Elektrizität die nötige Energie, um eine Verbindung in ihre Bestandteile aufzuspalten (Abbildung 1.2.5). Ein ähnliches Verfahren wird in großem Umfang eingesetzt, um das Element Aluminium aus seinen Erzen zu gewinnen, die ein Gemisch von Verbindungen sind. Da für die Elektrolyse viel Energie benötigt wird, sind die Stromkosten bei weitem der größte Kostenfaktor bei der Herstellung von reinem Aluminium. Daher ist das Recycling von Aluminium sowohl kosteneffizient als auch ökologisch sinnvoll. Die allgemeine Organisation der Materie und die Methoden zur Trennung von Gemischen sind in Abbildung 1.2.6 zusammengefasst.