Stoffe und ihre Eigenschaften
| Nicht nur das sind Stoffe in der Chemie ... | auch hier gibt es viele verschiedene Stoffe! |
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Stoffe sind all die Materialien, aus denen unsere Welt zusammengesetzt ist. Wieviele Stoffe es genau gibt, kann man vermutlich nicht sagen, aber eine wichtige chemische Organisation zählt 30 Millionen auf.
Inhaltsverzeichnis |
Stoffe im chemischen Sinne
Ein chemischer Stoff ist ein Material oder allgemein alles in den Naturwissenschaften, was man man beobachten und untersuchen kann und auch eine Masse besitzt. Raumbereiche, die keine Materie enthalten, bezeichnet man als Vakuum. Elektromagnetische Wellen wie zum Beispiel Licht werden ebenfalls nicht zur Materie gezählt. Umgangssprachlich werden chemische Stoffe auch mit dem Wort Substanz bezeichnet, das im Sprachgebrauch der Chemie aber auf Stoffe in fester Form, sog. Feststoffe, beschränkt ist.
Stoffe in der Chemie werden grob unterschieden in Reinstoffe (Elemente oder Verbindungen) und Gemische. Es gibt weitere Unterteilungen, zu denen wir dann später noch kommen werden.
Wichtige Reinstoffe in der Chemie, die du schon kennen wirst, sind z. B. Wasser, Kochsalz (Natriumchlorid), Eisen, Alkohol (Ethanol)
Wichtige Stoffgemische sind zum Beispiel Luft, Salzsäure, Natronlauge (wie auf den Laugenbrezeln)
Jede Stoffportion besitzt eine Masse, hat ein Volumen (also einen Platzbedarf) und besitzt eine innere Energie bzw. Wärmeenergie. Die Form eines Körpers kann auch bei gleichem Stoff (Material) unterschiedlich sein (z. B. Eisendraht, -pulver, -blech, -kugeln, -wolle).
Was sind Stoffeigenschaften ?
Eine Stoffeigenschaft ist eine für einen bestimmten Stoff typische Eigenschaft. Sie kann mit den Sinnen wahrgenommen werden (z. B. der Geruch) oder nur mit Messgeräten erfassbar sein (z. B. die Dichte eines Stoffes).
In der Chemie unterscheidet man Reinstoffe von Stoffgemischen, denn Reinstoffe haben immer die gleichen Eigenschaften, während bei Stoffgemischen die Eigenschaften von den Mischungsverhältnissen der Komponenten abhängen.
Stoffeigenschaften kann man in mehrere Gruppen unterteilen:
- Physikalische Stoffeigenschaften, wie Härte, Schmelztemperatur, Wasserlöslichkeit, Oberflächenspannung, elektrische Leitfähigkeit oder optische Aktivität und
- Chemische Stoffeigenschaften, wie Brennbarkeit, Explosivität oder Angreifbarkeit durch Säuren oder Laugen.
- Als Physiologische Eigenschaften bezeichnet man chem. und. phys. Stoffeigenschaften unter dem Aspekt der Wahrnehmbarkeit oder der Auswirkungen auf die Umgebung.
| Jeder Reinstoff zeichnet sich durch eine einzigartige Kombination von Stoffeigenschaften aus, anhand derer er identifiziert werden kann. Zwei Stoffe können nicht in allen Eigenschaften gleich sein. |
Beispiele:
| Gold | Sauerstoff (hier verflüssigt) | Wasser |
 Gold ist ein gelbes, recht weiches Metall, das eine sehr gute Wärme- und Stromleitfähigkeit hat. Es ist gut verformbar und kann zu sehr dünnen Folien ausgewalzt werden. |
Sauerstoff ist ein farb- und geruchloses Gas, mit einen Schmelztemperatur von xxx °C und einer Seidetemperatur von xxx °C. Es reagiert leicht mit anderen Stoffen und wirkt brandfördernd. |
 Wasser ist ein bei Raumtemperatur durchsichtige Flüssigkeit. Es hat eine Schmelztemperatur von 0°C, ein Siedetemperatur von 100°C und leitet nicht den den Strom. Es verhält sich gegenüber den meisten anderen Stoffen neutral. Es hat eine hohe Oberflächenspannung. |
Egal welche Stoffe man auch betrachtet. Es gibt so viele verschiedene Eigenschaften, die man untersuchen kann, so dass man auf jeden Fall einen Unterschied feststellen kann.
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VERSUCH: Untersuchung von fünf weißen, pulvrigen Feststoffen
In diesem Experiment sollst du nun mit einfachen Hilfsmitteln fünf Stoffe untersuchen, sie sich zunächst recht ähnlich sehen. Du wirst sehen, dass es leicht fällt, sie zu unterscheiden, wenn man verschiedene Eigenschaften untersucht. Versuch:Untersuchung von fünf weißen, pulvrigen Feststoffen |
Typische Fehler: Gerade Chemie-Anfängern fällt es nicht immer leicht, die Stoffeigenschaften zu erkennen. Häufig werden Eigenschaften genannt, die man nicht als Stoffeigenschaften im chemischen Sinne bezeichnen darf.
- Stoffe unterscheidet man nicht anhand von ihren Zuständen. So kann der Stoff Wasser als Flüssigkeit aber auch als gasförmiger Wasserdampf oder festes Eis vorkommen. Es ist dreimal der gleiche Stoff, nur bei verschiedenen Temperaturen. Es gibt deshalb auch Normtemperaturen, bei denen man üblicherweise die Eigenschaften untersucht.
- Keine Eigenschaften sind auch solche "Fähigkeiten" die sich aus der Bauform ergeben. So sind ein Nagel (spitz) oder eine Feder (elastisch) keine Stoffe. Sie bestehen aus dem Stoff Eisen und die Eigenschaften "spitz" und "elastisch" ergibt sich nur aus der Form. Dagegen gibt es aber Stoffe, wie zum Beispiel Gummi, der in jeder Form elastisch ist.
- Diese Teile bestehen aus dem Stoff Eisen ...
der spitze Nagel
die elastische Feder
die rauhe Feile
| Stoffeigenschaften hängen nicht von der Temperatur oder der Form des Stoffes ab. |
Liste von Stoffeigenschaften
Es gibt eine wirklich sehr lange Liste an Stoffeigenschaften. Da einige nur schwer zu verstehen sind, wurde sie teilweise umschrieben oder auch weggelassen. Wenn du dich ganz ausführlich informieren willst, solltest du dir den Wikipedia-Artikel dazu anschauen, der am Ende der Seite als Quelle angegeben ist.
Auf einige der Stoffeigenschaften werden wir später noch genauer eingehen, weshalb es hier keine genaue Beschreibung gibt.
Physikalische Stoffeigenschaften
Physikalische Stoffeigenschaften sind meist Werte, welche durch Messung und Experiment einer physikalischen Größe zugeordnet werden können. Bei der Messung wird eine physikalische Eigenschaft des Messobjekts, im Unterschied zu den chemischen Eigenschaften, nicht verändert.
Zu den physikalischen Eigenschaften gehören:
- Farbe, bzw. Absorptions- und Emissionsspektrum (teilweise eine Art nicht sichtbarer Farbeindruck, da man auch nicht-sichtbare Strahlung betrachtet)
- Dichte, wird in einem der folgenden Kapitel genau behandelt.
- Die Wärmeleitfähigkeit, spielt zum Beispiel bei den Griffen von Töpfen eine Rolle. Es wird im Kapitel zur Stoffklasse der Metalle noch einmal angesprochen.
- Elektrische Leitfähigkeit, wird ebenfalls bei den Metallen genauer angesprochen.
- Die Magnetisierbarkeit bzw. Verhalten gegenüber Magneten solltest du kennen.
- Aggregatzustand (fest, flüssig, gasförmig) bei einer bestimmten Temperatur wird später noch genauer behandelt.
- Schmelztemperatur und Siedetemperatur oder Erweichungsbereich sind dir vielleicht bekannt. Die werden aber in einem eigenen Kapitel genauer angesprochen.
- Die Optische Aktivität kennst du vom Joghurt. Dort wird mit optisch aktiven Milchsäuren geworben, wie die rechtsdrehenden.
- Bei der Löslichkeit geht es darum, ob und wieviel von einem Stoff in einem Lösungsmittel löslich ist. Zur Löslichkeit in Wasser gibt es ein Kapitel. Aber es gibt auch Lösungsmittel wie Benzin.
- Viskosität hat damit zu tun, wie dickflüssig ein Stoff ist.
- Was Oberflächenspannung ist, solltest du vom Wasser kennen. Wegen der Oberflächenspannung können die Wasserläufer auf dem Wasser laufen können.
- Bei der Schallgeschwindigkeit geht es darum, wie die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist, mit der sich Schallwellen in einem Medium ausbreiten.
Speziell für Feststoffe gibt es noch ein paar bekannte Begriffe:
- Verformbarkeit
- Oberflächenglanz
- Härte
Alle diese Eigenschaften werden alle genau genauer bei der Stoffklasse der Metalle angesprochen.
Chemische Stoffeigenschaften
Bei chemischen Eigenschaften geht es um das Verhalten in einer chemischen Reaktion. Einige davon werden dir noch nichts sagen, da sie erst nach einige Jahren Chemie-Unterricht eingeführt werden. Man kann sagen, sie beschreiben die Stärke von Stoffen in bestimmten chemischen Reaktionen.
- Reaktivität gegenüber verschiedenen anderen Stoffen z.B. gegenüber Sauerstoff (Brennbarkeit), aber auch gegenüber wichtigen Reagenzien wie Wasser, Säuren, Basen, Metallen, Salzlösungen, Chlorgas, Schwefel, Nachweis-Reagenzien usw.
- Korrosionsbeständigkeit also Stabilität gegenüber Wasser, feuchter Luft, Salzlösungen
- Die Säurekonstante KS , bzw. Basenkonstante KB geben an, wie stark ein Stoff sauer bzw. als Lauge reagiert
- Elektronegativität macht Aussagen über einzelne Atome in einer Verbindung
- Bildungsenthalpie, Verbrennungsenthalpie, Gibbssche freie Bildungsenthalpie geben Werte zu inneren Stabilität der Stoffe an
Physiologische Stoffeigenschaften
- Geruch
- Geschmack
- Toxizität (Giftigkeit), Ökotoxizität (Umweltschädlichkeit) und ähnliche biologische Wirkungen
- Resorbierbarkeit, wie leicht etwas in den Körper aufgenommen wird.
Nutzung von Stoffeigenschaften in Chemie und Technik
Analytik
In der Analytik werden Stoffe in einer unbekannten Probe anhand ihrer Stoffeigenschaften identifiziert und klassifiziert. Dazu wurden früher meist spezielle chemische Eigenschaften untersucht. Heute nutzt man dazu physikalische Methoden und mit Hilfe von großen computergesteuerten Analyse-Geräten lassen sich kleinste Mengen genau identifizieren.
Werkstoffeigenschaften
Die jeweiligen Stoffeigenschaften machen einen Stoff technisch als Werkstoff nutzbar (Eisen ist hart und zäh für Werkzeuge aller Art, Glas als formbar und chemisch stabil für Gefäße, als transparent für Fenster, Keramiken als hitzebeständig, usw.). Hier spricht man speziell von Werkstoffeigenschaften, dem zentralen Forschungsgebiet der Werkstoffkunde.
Chemiker können inzwischen gezielt Stoffe herstellen, die die gewünschten Eigenschaften haben. Denn man weiß sehr genau, wie ein Stoff aufgebaut sein muss, damit er eine bestimmte Stoffeigenschaft hat.
Auftrennung von Stoffgemischen
Unter Nutzung der Stoffeigenschaften lassen sich Stoffgemische in ihre Einzelkomponenten auftrennen. Bei einer Destillation wird z. B. ein Gemisch mehrerer Flüssigkeiten dadurch aufgetrennt, dass man das Gemisch über die Siedetemperatur einer Komponente hinaus erwärmt. Ein Eisenpulver/Sand-Gemisch kann hingegen aufgetrennt werden, indem man die Magnetisierbarkeit des Eisens nutzt (eine physikalische Stoffeigenschaft) – oder aber das Gemisch in Säure löst, welche das Eisen anätzt, den Sand aber ungelöst und somit filtrierbar zurücklässt (chemische Eigenschaft).
Dies spielt zum Beispiel bei der Abwasserreinigung und bei der Mülltrennung eine wichtige Rolle.
Reinheitskontrolle
Um ein im Arzneimittel- oder Chemielabor neu hergestelltes Präparat, einen chemischen Stoff näher zu charakterisieren und seine Reinheit und Qualität zu kontrollieren, untersucht man dessen Eigenschaften. Oft werden zur Qualitätskontrolle chemischer und pharmazeutischer Produkte hochentwickelte Analysetechniken eingesetzt, so z. B. die IR-Spektroskopie.
