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Messen von Stoffeigenschaften 10:02 min

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Transkript Messen von Stoffeigenschaften

Jan und Frank haben am Strand goldgelbe Körner gefunden. Jan ist überzeugt, dass es sich um Gold handelt. Frank glaubt nicht so richtig, dass sie echtes Gold in Händen halten. Sie beschließen, bei der Bank zu fragen, doch die hat schon geschlossen. Also wollen sie selber herausfinden ob sie Gold gefunden haben, aber wie? Chemiker interessieren sich besonders für diejenigen Stoffmerkmale, die sie messen können. Mit diesen messbaren Eigenschaften können sie Stoffe voneinander unterscheiden, einen einzelnen Stoff identifizieren oder für eine bestimmte Verwendung testen. Die elektrische Leitfähigkeit ist so eine messbare Eigenschaft, mit der sich gute von schlechten Leitern oder sogar Nicht-Leitern unterscheiden lassen. Schauen wir uns einige andere dieser messbaren Stoffeigenschaften einmal genauer an. „Temperaturen nahe null Grad, Bodenfrost und Gefahr von Straßenglätte.“ Meldungen dieser Art mögen Autofahrer gar nicht. Sie wissen, dass Wasser bei null Grad Celsius seinen Aggregatzustand ändert und zu Eis gefriert. Bei dieser Temperatur hat das Wasser seinen Schmelz- oder Gefrierpunkt. Die Temperatur, bei der ein Stoff vom flüssigen in den gasförmigen Zustand wechselt nennen wir „Siedepunkt“. Er beträgt für Wasser 100 Grad Celsius. Schauen wir uns das Verhalten des Wassers beim Erhitzen einmal etwas genauer an. Wir sehen, dass sich die Temperatur des flüssigen Wassers beim Erreichen des Siedepunktes nicht mehr verändert. Genauso verhält sich die Wassertemperatur beim Schmelzpunkt. Erst, wenn das gesamte Eis geschmolzen ist, steigt die Temperatur des Wassers wieder. Durch Messen der Temperatur beim Erhitzen können wir also den Schmelzpunkt oder Siedepunkt eines Stoffes bestimmen, da dort die Temperatur konstant bleibt. Allerdings ist die Siedetemperatur der Stoffe vom umgebenden Luftdruck abhängig. Je größer der umgebende Druck ist, desto höher wird der Siedepunkt und umgekehrt. Dies macht man sich zum Beispiel bei einem Dampfkochtopf zunutze. Durch den höheren Druck im Topf erreicht das flüssige Wasser Temperaturen von etwa 120 Grad Celsius. Genau genommen siedet Wasser nur bei einem Druck von 1013 Hektopascal, früher in Bar, bei 100 Grad Celsius. Mit fallendem Luftdruck sinkt dementsprechend die Siedetemperatur des Wassers auf weit unter 100 Grad Celsius. Frank hat beim Kochen nicht aufgepasst und nun einen Fleck in seiner neuen Hose. Halb so schlimm denkt er sich, dieser Fleck ist so gut wie weg. Aber was ist das? Das sieht ja schlimmer aus als vorher! Ob Badesalze, Zucker oder Wasserfarbe. Wir lösen ständig Stoffe in Wasser auf. Dies funktioniert, weil Wasser ein besonders gutes Lösungsmittel ist. Wir können in ihm feste Stoffe, Flüssigkeiten und Gase lösen. In Mineralwasser ist zum Beispiel Kohlenstoffdioxidgas gelöst, das für einen erfrischenden Geschmack sorgt. Und wäre in unseren Gewässern kein Sauerstoff gelöst, müssten die dort lebenden Fische verenden. Die verschiedenen Stoffe lösen sich allerdings unterschiedlich gut in Wasser. Zudem lassen sich in Lösungsmitteln nicht beliebig große Mengen eines Stoffes lösen. Die maximale Menge eines Stoffes, die sich in einem Lösungsmittel auflösen lässt, wird als „Löslichkeit“ bezeichnet. In 100 Gramm Wasser lassen sich etwa 36 Gramm Kochsalz lösen. Dann ist Schluss. Geben wir weiter Salz zu, löst es sich nicht mehr, sondern sammelt sich auf dem Boden des Gefäßes, es bildet sich ein „Bodensatz“. Man sagt, die Lösung ist „gesättigt“. Neben Wasser gibt es noch weitere gute Lösungsmittel, wie zum Beispiel Alkohol. Darum wird bei der Löslichkeit auch immer angegeben, auf welches Lösungsmittel sich der Wert bezieht. Beim Einkochen von Apfelstücken kann man eine interessante Entdeckung machen. Wenn man das Wasser erhitzt, löst sich der Bodensatz aus Zucker wieder auf, offensichtlich ist die Löslichkeit von der Temperatur des Lösungsmittels abhängig. Für die meisten festen Stoffe gilt, je wärmer das Lösungsmittel ist, desto mehr löst sich darin. Die Temperaturabhängigkeit ist allerdings von Feststoff zu Feststoff ganz unterschiedlich. Die Temperaturabhängigkeit beim Lösen von Gasen verhält sich genau umgekehrt. Je höher die Temperatur ist, desto geringer ist die Löslichkeit der Gase in Wasser. Wenn wir Wasser erwärmen, bilden sich sehr bald Luftblasen im Wasser. Da bei höheren Temperaturen nicht mehr so viel Luft im Wasser gelöst bleiben kann. Aber wieso kann Frank seinen Fleck nicht mit Wasser aus der Hose lösen? Die Antwort ist einfach: Nicht alle Stoffe lösen sich in Wasser und zu diesen Stoffen gehören Fette und Öle. Wasser und Speiseöle können nicht einfach vermischt werden. Wenn wir sie miteinander verrühren, trennen sich die Stoffe einfach wieder voneinander. Frank und Jan machen Salzteig, um Figuren zu basteln. Sie benötigen dazu 200 Gramm Kochsalz. Frank misst mit einem Messbecher 200 Milliliter Salz ab. 200 Milliliter Wasser wiegen ja auch 200 Gramm. Aber Jan protestiert, Salz und Wasser seien schließlich unterschiedliche Stoffe und deswegen auch irgendwie unterschiedlich schwer. Er möchte das Salz wiegen und tatsächlich, die 200 Milliliter Salz wiegen 440 Gramm. Salz und Wasser haben bei gleichem Volumen ein unterschiedliches Gewicht, weil sich ihre Dichte unterscheidet. Die Dichte ist eine messbare Eigenschaft, die angibt, welche Masse ein Stoff bei einem bestimmten Volumen besitzt. Dazu wiegt man den Stoff, ermittelt sein Volumen und teilt seine Masse durch das Volumen. In der Regel wird die Dichte in der Einheit Gramm pro Kubikzentimeter oder Kilogramm pro Kubikmeter angegeben. Wasser hat eine Dichte von eins, darum wiegen 200 Milliliter Wasser eben auch genau 200 Gramm. Kochsalz hat eine Dichte von etwa 2,2 Gramm pro Kubikzentimeter, 200 Milliliter Salz wiegen deswegen 440 Gramm. Metalle haben eine größere Dichte als eins. Allerdings unterscheiden sich ihre Werte erheblich voneinander. Metalle mit einer Dichte größer als fünf Gramm pro Kubikzentimeter werden als Schwermetalle bezeichnet. Ein typischer Vertreter der Schwermetalle ist das Eisen. Autobauer sind sehr daran interessiert, in den neuen Fahrzeugen das Eisen durch das Leichtmetall Aluminium zu ersetzen. Durch seine geringe Dichte von 2,7 Gramm pro Kubikzentimeter werden die Autos leichter und verbrauchen deswegen weniger Benzin. Gase haben eine relativ geringe Dichte, die Luft hat zum Beispiel eine Dichte von gerade einmal 0,0012 Gramm pro Kubikzentimeter. Gase mit einer höheren Dichte als Luft sinken zu Boden. Diese Gase sind schwerer als Luft. Kohlenstoffdioxid ist so ein Gas. Dies kann man mit einem einfachen Experiment zeigen. Ein mit heißer Luft gefüllter Ballon steigt nach oben. Dieses Phänomen hat mit einer besonderen Eigenschaft der Dichte zu tun: Sie ist von der Temperatur der Stoffe abhängig und lässt sich durch Abkühlen oder Erwärmen ändern. Die Regel heißt, mit steigender Temperatur nimmt die Dichte ab. Darum haben die Stoffe im festen Zustand ihre höchsten und besitzen im gasförmigen Zustand ihre kleinsten Dichtewerte. Wie bei vielen Regeln gibt es auch für die Dichte Temperaturabhängigkeit Ausnahmen. Das Wasser hat seine größte Dichte nicht wie zu erwarten bei seinem Schmelzpunkt null Grad Celsius, sondern bei vier Grad Celsius. Ein Liter Eis ist also leichter als ein Liter vier Grad kaltes Wasser. Darum schwimmen Eisberge und frieren Teiche und Seen im Winter von oben nach unten zu. Allerdings hat diese Eigenschaft des Wassers auch ihre Schattenseite. Vergessen wir eine mit einem wasserhaltigen Getränk gefüllte Flasche im Eisschrank, kann es eine böse Überraschung geben. Kommen wir zurück zu Jan und Frank, welche der vorgestellten Eigenschaften könnten sie nutzen um herauszufinden, ob die gefundenen Steinchen aus Gold sind oder nicht?

10 Kommentare
  1. Warum sind die Personnen im Labor nicht sicher Gekleidet

    Von Henk V., vor 7 Monaten
  2. Würde mich über bessere Übungsaufgaben Freuen

    Von Mey Kagermann, vor 9 Monaten
  3. hat mir nicht wirklich weitergeholfen!!!

    Von Max Hut, vor mehr als einem Jahr
  4. Hallo Ani Pav,

    ich gebe dir recht, dass es sicherer wäre, wenn sie einen Kittel tragen würden. Leider tragen aber nicht alle Forscher im Labor ihren Laborkittel. Zumindest tragen sie in diesem Fall ihre Schutzbrille auf der Nase.

    Liebe Grüße aus der Redaktion.

    Von Karsten S., vor mehr als einem Jahr
  5. warum tragen die Leute im Labor keine Schutzkleidung? xD

    Von Ani Pav, vor mehr als einem Jahr
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Messen von Stoffeigenschaften Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Messen von Stoffeigenschaften kannst du es wiederholen und üben.

  • Nenne Gegenstände, die zur Bestimmung des Siedepunktes einer unbekannten Flüssigkeit genutzt werden können.

    Tipps

    Der Siedepunkt ist eine Temperatur, welche bei dem Versuch gemessen werden soll.

    Bei der Messung des Siedepunktes ist es egal, wie viel die Probe wiegt.

    Lösung

    Um den Siedepunkt einer Flüssigkeit zu bestimmen, muss die Flüssigkeit so weit erhitzt werden, dass sie zu sieden beginnt . Dies gelingt entweder mit einem Bunsenbrenner oder aber auch mit einer Heizplatte.
    Den Siedepunkt erkennt man daran, dass die Temperatur konstant bleibt. Um dies festzustellen, wird ein Thermometer benötigt.

  • Vervollständige die Informationen über die Dichte und den Sonderfall des Wassers.

    Tipps

    In einem zugefrorenen See befindet sich unter der Eisschicht immer noch flüssiges Wasser.

    Lösung

    Besitzen zwei identisch große und gleich geformte Gegenstände ein unterschiedliches Gewicht, so liegt dies an ihren unterschiedlichen Dichten.
    Die Dichte gibt darüber Auskunft, wie viel ein Stoff pro einem bestimmtem Volumen wiegt. In der Regel wird die Dichte in der Einheit Gramm pro Kubikzentimeter oder Kilogramm pro Kubikmeter angegeben.
    Die Dichte ist von der Temperatur abhängig. In der Regel nimmt mit steigender Temperatur die Dichte ab.

    Eine Ausnahme in diesem Trend ist Wasser. Es besitzt seine maximale Dichte bei 4 °C. Kühlt man das Wasser weiter ab, so nimmt seine Dichte wieder ab. So kommt es dazu, dass 0 °C kaltes Eis eine geringere Dichte als vier Grad kaltes Wasser hat und somit auf der Wasseroberfläche schwimmt.

  • Stelle eine Versuchsdurchführung zur Bestimmung der Löslichkeit eines Feststoffes in Wasser auf.

    Tipps

    Die Löslichkeit kann erst bestimmt werden, wenn alle Messwerte vorhanden sind.

    Die hinzugegebene Menge des Feststoffes kann aus der übrig gebliebenen Menge berechnet werden.

    Lösung

    Zu einem Messversuch gehört immer eine gute Vorbereitung. Zunächst müssen eine bekannte Menge an Wasser und eine ausreichende, bekannte Menge des Feststoffes bereitgestellt werden.
    Auch wenn nicht der gesamte Feststoff benötigt wird, kann man hinterher die benötigte Menge bestimmen.

    Unter ständigem Rühren werden immer kleine Portionen des Feststoffes zum Lösungsmittel gegeben, sodass alles vollständig gelöst wird. Dies wird solange fortgeführt, bis sich ein unlöslicher Bodensatz bildet. Aus der übrigen Menge des Feststoffes kann die gelöste Menge bestimmt werden. Der Quotient aus der Masse des Feststoffes und dem Volumen des Lösungsmittels ergibt letztendlich die Löslichkeit des Feststoffes in $\frac{g}{L}$.

  • Berechne die korrekten Stoffeigenschaften aus den Ergebnissen der dargestellten Versuche.

    Tipps

    Die Einheit eines Wertes gibt einen Hinweis darauf, wie dieser berechnet werden muss.

    Lösung

    Erwärmt man einen Feststoff mit Hilfe eines Bunsenbrenners, so ist der Schmelzpunkt erreicht, sobald die Temperatur des Feststoffes nicht weiter ansteigt. An diesem Punkt geht der Feststoff in eine Flüssigkeit über. Der Stoff schmilzt.

    Zur Bestimmung der Löslichkeit wird so lange die zu lösende Substanz in ein Lösungsmittel gegeben, bis sich ein unlöslicher Bodensatz bildet. Lösen sich beispielsweise 57 g eines Feststoffes in 500 mL Lösungsmittel, so beträgt die Löslichkeit $\frac{57\ g}{0,5\ L}\ =\ 114 \frac{g}{L}$.

    Um die Dichte eines Stoffes zu berechnen, teilt man sein Gewicht durch sein Volumen. Ein 10 g schwerer Gegenstand mit einem Volumen von 2,5 cm³ beträgt somit $\frac{10\ g}{2,5\ cm^3}\ =\ 4\ \frac{g}{cm^3}$.

  • Entscheide, welche Stoffeigenschaft mit den verschiedenen Vorgehensweisen ermittelt wird.

    Tipps

    Wird die Löslichkeit eines Stoffes in einer Flüssigkeit überschritten, so bildet sich ein Bodensatz.

    Auch von Flüssigkeiten kann die elektrische Leitfähigkeit bestimmt werden.

    Lösung

    Um die Löslichkeit eines Stoffes zu bestimmen, fügt man so lange den Stoff zu einem Lösungsmittel hinzu, bis sich der Feststoff nicht mehr löst und einen Bodensatz bildet. Wichtig ist, dass dazu angegeben wird, auf welches Lösungsmittel sich die Löslichkeit bezieht. Die Löslichkeit ist zudem von der Temperatur des Lösungsmittels abgängig.

    Die gelöste Menge kann anschließend durch das Volumen des Lösungsmittels dividiert werden, sodass man die Löslichkeit in der Einheit $\frac{g}{L}$ erhält.

    Der Siedepunkt einer Flüssigkeit kann durch Erhitzen der Flüssigkeit bestimmt werden. Der Siedepunkt ist dann erreicht, wenn die Temperatur der Flüssigkeit nicht mehr weiter ansteigt.

    Für die Berechnung der Dichte wird lediglich das Volumen und das Gewicht eines Materials benötigt. Dividiert man das Gewicht durch das Volumen, so erhält man die Dichte in der Einheit $\frac{g}{cm^2}$ oder $\frac{kg}{m^3}$.

    Möchte man die elektrische Leitfähigkeit einer Flüssigkeit bestimmen, so werden zwei Elektroden in der Flüssigkeit platziert. Mit Hilfe eines angeschlossenen Multimeters, kann dann die elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit gemessen werden.

  • Beschreibe die Temperatur und Druckabhängigkeit verschiedener Stoffeigenschaften.

    Tipps

    Ein Mineralwasser schmeckt nach einiger Zeit in der Sonne nicht mehr sehr prickelnd.

    Das Salz für die Nudeln löst sich besser, wenn das Wasser bereits eine Weile auf dem Herd stand.

    Lösung

    Die Löslichkeit eines Stoffes ist von vielen unterschiedlichen Faktoren abhängig. Die Löslichkeit unterscheidet sich sehr stark, je nach verwendetem Lösungsmittel. So löst sich Kochsalz sehr gut in Wasser, in Ethanol löst es sich jedoch kaum. Einen weiteren Einfluss hat die Temperatur des Lösungsmittels. Die meisten Feststoffe sind besser bei hohen Temperaturen löslich. Bei Gasen hingegen ist dies nicht der Fall. Gase lösen sich deutlich besser bei tieferen Temperaturen.

    Auch der Siedepunkt einer Flüssigkeit ist nicht immer gleich, sondern vom Umgebungsdruck abhängig. Je höher der Umgebungsdruck ist, desto höher liegt auch der Siedepunkt.
    Auf hohen Bergen, auf welchen ein geringer Luftdruck herrscht, siedet Wasser bereits ab 80 °C.