Messgrößen in der Chemie – Beschreibung von Gemischen

In der Physik haben wir es mit physikalischen Größen wie Temperatur oder Druck zu tun. In der Chemie hingegen beschäftigen wir uns weitgehend mit chemischen Reaktionen. Auch chemische Reaktionen werden von physikalischen Größen wie Temperatur beeinflusst, aber auch von chemischen Größen (wie Stoffmengenanteil o.ä.). Vor allem um Gemische zu beschreiben, benötigen wir sogenannte Zusammensetzungsgrößen. Im Wesentlich sind es die drei Größen “Anteil”, “Verhältnis” oder “Konzentration”. Wichtig hierbei, diese Größen sind nicht identisch.

Messgrössen in der Chemie – Beschreibung von Gemischen

Wie eingangs erwähnt, können wir für die bekannten chemischen Größen (z. B. Stoffmenge) auch Zusammensetzungsgrößen ermitteln, die die Zusammensetzung eines Gemisches beschreiben. Dazu haben wir die drei Möglichkeiten: Anteil, Verhältnis oder Konzentration. Im Unterschied zu Anteilsgrößen und Konzentrationsgrößen unterscheidet sich eine Verhältnisgröße, dass sie nicht in Bezug auf ein Gesamtgemisch dient, sondern zwei Komponenten eines Gemisches verglichen werden. Anteilsgrößen haben immer einen Wert, der kleiner als 1 ist. Bei Verhältnisgrößen kann der Wert auch größer als 1 sein.

Stoffmenge als beschreibende Größe

Im ersten Teil befassen wir uns mit der Stoffmenge (als Grundgröße). Um diese in einem Gemisch zu beschreiben, gibt es drei Messgrößen: Stoffmengenanteil, Stoffmengenkonzentration und Stoffmengenverhältnis.

• Stoffmengenanteil = Stoffmenge einer Komponente : Stoffmenge des Gesamtgemisches
• Stoffmengenverhältnis = Stoffmenge einer Komponente A : Stoffmenge einer Komponente B
• Stoffmengenkonzentration = Stoffmenge einer Komponente : Volumen des Gemisches

Für die Berechnung eines Stoffmengenanteils, teilen wir die Stoffmenge einer Komponente A durch die Gesamtstoffmenge des Gemisches (Stoffmenge aller Komponenten). Die Summe aller Stoffmengenanteile aller Komponenten eines Gemisches muss 1 bzw. 100 % ergeben.

Beispiel: Wasserstoff und Sauerstoff reagieren zu Wasser (2H₂  +  O₂  => 2H₂O)

• Stoffmengenanteil Wasserstoff = n(H₂) : [n(H₂) + n(O₂)] = 2 mol : (2 mol + 1 mol) = 2/3 bzw. 66,7%
• Stoffmengenverhältnis Wasserstoff = n(H₂) : n(O₂) = 2 : 1 = 2

In der Regel verwenden wir die Größe “Stoffmengenanteil” bei Gasgemischen und die “Stoffmengenkonzentration” bei wässrigen Lösungen

Masse als beschreibende Größe

Im zweiten Teil beschäftigen wir und mit der Masse (als Grundgröße). Wie auch bei der Stoffmenge gibt es die drei Größen: Massenanteil, Massenkonzentration und Massenverhältnis:

• Massenanteil = Masse einer Komponente : Masse des Gesamtgemisches
• Massenverhältnis = Masse einer Komponente A : Masse einer Komponente B
• Massenkonzentration = Masse einer Komponente : Volumen des Gemisches

Volumen als beschreibende Größen
Im dritten Teil beschäftigen wir und mit dem Volumen (als Grundgröße). Wie auch bei der Stoffmenge gibt es die drei Größen: Volumenanteil, Volumenkonzentration und Volumenverhältnis:

• Volumenanteil = Volumen einer Komponente : Volumen des Gesamtgemisches
• Volumenverhältnis = Volumen einer Komponente A :Volumen einer Komponente B
• Volumenkonzentration = Masse einer Komponente : Volumen des Gemisches (nach dem Mischen)

Wenn man sich diese Formeln nun betrachtet, könnte man meinen, dass die Größen “Volumenanteil” und “Volumenkonzentration” das Gleiche sind. Allerdings sind Volumenanteil und Volumenkonzentration zwei verschiedene Größen. Der Unterschied liegt darin:

• In die Volumenkonzentration geht das Volumen des Gesamtgemisches ein, wie es nach dem Mischungsvorgang vorliegt.
• In den Volumenanteil geht das Volumen aller Komponenten des Reaktionsgemisches ein, wie es vor dem Mischungsvorgang vorliegt.

Für ideale Gase (bzw. deren Mischungen) sind beide Größen gleich, da Volumenanteil und Volumenkonzentration sich nur ändern, wenn während des Mischvorgangs eine Volumenkontraktion oder Volumenvergrößerung eintritt (z.B. Erwärmung durch den Mischvorgang)