Stoffgemische

Viele der uns umgebenden Stoffe sind Gemische aus mehreren Substanzen. Meerwasser ist beispielsweise eine Mischung aus Wasser und Salzen, ja im Meerwasser sind viele Salze gelöst. Wirbelt man Staub auf, müsste man diese Mischung in der Luft eigentlich Rauch nennen , aber das tut keiner. Ein Eintopf mit vielen Stücken Gemüse und/oder Fleisch würde in der Fachsprache „Aufschlämmung“ heißen. Aber verlange mal einen Nachschlag von der leckeren „Aufschlämmung„…

Farben
Meerwasser enthält durchschnittlich 3,4% Salze.
Bäume im Nebel.
Ein neuseeländischer Vulkan.
Butter und ...?
Limonade
Das "Holi" ist ein indisches Frühlingsfest.
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Wir nutzen das äußere Erscheinungsbild und die Aggregatzustände der vermischten Stoffe, um die Stoffgemische zu benennen und zu klassifizieren.

Enthalten Gemische äußerlich auch mikroskopisch unterscheidbare Schichten(Phasen) oder Bereiche, so nennen wir sie „heterogen„. Sind die vermischten Stoffe nach außen jedoch nicht zu unterscheiden – wie in Meerwasser – so nennt man das Gemisch „homogen“.

Milch ist ein heterogenes Stoffgemisch. Sie enthält ca. 80% Wasser. Der Fettanteil beträgt ungefähr 3%. Die Fetttröpfchen
( ø bis 30 µm , hier vergrößert dargestellt) sind unterschiedlich groß und neigen dazu, sich zu großen Tropfen zu vereinigen. Das Stoffgemisch Milch trennt sich. Es „rahmt auf“ oder „demulgiert“, sagt man. Presst man die Milch jedoch unter Hochdruck durch schmale Düsen oder spritzt sie mit hohem Druck auf Metallplatten, so entstehen in der Milch nur noch winzig kleine Fetttropfen
= 1µm), die die Neigung zu Vereinigung kaum noch besitzen. Somit bleibt die Milch länger im emulgierten Zustand. Diesen Vorgang, bei dem die Milch nach außen weniger unterschiedliche Teilchen aufweist, nennt man „Homogenisieren„.

Auch die metallischen Werkstoffe (Legierungen) werden homogenisiert. Dazu wird das sogenannte Lösungsglühen durchgeführt.

Die speziellere Unterscheidung in die einzelnen Arten von Stoffgemischen geschieht durch die folgende Zuordnung:

„[Aggregatzustand] des beigemischten Stoffes \( \rightarrow \) [Aggregatzustand] des Hauptbestandteil des Gemisches“

Beispiel:

Salzwasser: [fest ]Salz \( \rightarrow \) [flüssig] Wasser …(fest in flüssig)

beigemischter Stoff in \( \longrightarrow \)Hauptbestandteil
fest
Hauptbestandteil
flüssig
Hauptbestandteil
gasförmig
beigemischter Stoff
fest
Gemenge
(locker vermischt)
Legierung

(innig vermischt)
(verschmolzen)
Lösung
(lösliche Beimischung)
Aufschlämmung
(1)
(nicht lösliche Beimischung)
Rauch(2)
beigemischter Stoff
flüssig
Lösung
(lösliche Beimischung)
Emulsion

(nicht lösliche Beimischung)
Nebel (2)
beigemischter Stoff
gasförmig
HartschaumLösung
(lösliche Beimischung)
Schaum

(nicht lösliche Beimischung)
Gasgemisch
(1) auch Suspension, (2) Mischungen aus fest/flüssig in Gas nennt man Aerosol

Hier die Kurzdefinitionen der wichtigsten Gemische:

Homogene Gemische:

Legierung: inniges Gemisch unterschiedlicher Metalle, die miteinander verschmolzen sind
Lösung: Feststoff, Flüssigkeit oder Gas homogen in einer Flüssigkeit verteilt
Gasgemisch: Gemisch mehrerer Gase

Heterogene Gemische:

Gemenge: lockeres Gemisch mehrerer nicht-mischbarer Feststoffe
Emulsion: Gemisch mehrerer nicht-mischbarer Flüssigkeiten
Nebel: Flüssigkeit verteilt in einem Gas
Rauch: Feststoff verteilt in einem Gas
Schaum: Gas verteilt in einer Flüssigkeit
Hartschaum: Gas verteilt in einem Feststoff

Stoffgemische—Stoffgemischarten und Begriffe 

Stoffegemische zuordnen, an interactive worksheet by grescho
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Hier findest du die Erklärungen für die Gemischarten



Arbeitsblatt:  Stoffgemische interaktiv 2— Art – Erklärung zuordnen

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Trennverfahren

Seit Aschenbrödel (Cinderella) ist uns bekannt, dass bei einigen Gemischen nur die Auslese per Hand funktioniert, wenn man keine kleinen Helfer zur Verfügung hat. Und die kann lange dauern.

Bestehen Stoffgemische aus Teilchen, die sich beispielsweise in Farbe oder Größe unterscheiden, so kann man diese Eigenschaften ausnutzen, um die Bestandteile zu trennen. Auch unterschiedliche Dichten oder die Siedetemperaturen von Stoffen in Gemischen können Voraussetzungen für das Funktionieren eines Trennverfahrens sein.

Hier einige Beispiele für wichtige Trennverfahren:

  • Auslesen: von Hand Teile trennen
  • Windsichten: Teilchen(Korn) werden einem Luftstrom ausgesetzt, der sie unterschiedlich weit transportiert
  • Sieben: Partikel/Körner unterhalb der Siebdichte werden „durchgelassen“
  • Absetzen lassen: (Sedimentation) unlösliche Bestandteile höhere Dichte sinken ab
  • Dekantieren: schwimmende feste oder flüssige Anteile abgießen
  • Filtrieren: unlösliche Bestandteile werden ja nach Filterklasse zurückgehalten
  • Eindampfen: flüssige Bestandteile durch Hitze verdampfen lassen, feste Bestandteile bleiben zurück
  • Destillieren: flüssige Bestandteile mit unterschiedlichen Siedetemperaturen werden verdampft und kondensiert
  • Extrahieren: ein Stoff wird durch seine Löslichkeit in einem Medium aus dem Gemisch gelöst
  • Zentrifugieren: Stoff größerer Dichte wird durch Vergrößerung der Gewichtskraft in einer Zentrifuge abgeschieden
  • Adsorbieren: anlagern von Teilchen an eine geeignete Oberfläche (Beispiel: Aktivkohle)
  • Papierchromatographie: durch die Kapillarwirkung werden gelöste Stoffe im Papier unterschiedlich weit transportiert
  • Magnettrennung: anhand der magnetischen Eigenschaft trennen
  • mehr…

Und hier noch mal wichtige Eigenschaften, die zur Trennung genutzt werden:

  • Farbe(Auslesen/optisches Sortieren)
  • Lichtbrechungsindex(optisches Sortieren)
  • Form der Partikel(Formsieben/Auslesen)
  • Größe der Partikel(Sieben/Filtern)
  • Dichte(Dekantieren/Zentrifugieren)
  • Magnetismus/Magnetisierbarkeit(Magnetascheiden)
  • elektrische Leitfähigkeit (elektrostatische Separation)
  • Siedetemperatur(Trocknen/Destillieren/Eindampfen)
  • Schmelztemperatur(Ausfrieren)
  • Sublimationspunkt(Gefriertrocknung)
  • Oberflächenkräfte(van der Waals):(Adsorbieren)
  • Lösungsverhalten/Löslichkeitsverhalten(Waschen/Auskristallisieren/Umkristallisieren)
  • Kristallisationsverhalten(Auskristallisieren/Umkristallisieren)
  • mehr…

Stoffgemische trennt man in die enthaltenen Reinstoffe und diese Reinstoffe bestehen wiederum aus den kleinsten und einfachsten Bausteinen der Natur, den Atomen, die Elemente genannt werden.

Einige Trennverfahren:

Weiß man, worin sich vermischte Stoffe unterscheiden, so kann man diesen Unterschied in den Eigenschaften ausnutzen und die Gemische in ihre Bestandteile zerlegen… trennen.

Das Windsichten:

Fotoquelle Windsichten : https://fotos.mtb-news.de/p/2181724

Das Windsichten ist eine uralte Verarbeitungsmethode für geerntetes Getreide. Damit werden die leichten Bestandteile vom Wind weggetragen und die schwereren Bestandteile fallen zu Boden und sammeln sich dort.

„Die Spreu vom Weizen trennen“

Das wird natürlich auch industriell genutzt. Im folgenden Video sieht man einen professionellen Windsichter. Er trennt Gemische von Feststoffen (Gemenge) mit unterschiedlichen Dichten. Dazu werden genau berechnete Luftströme genutzt.

Hier mal eine Anwendung aus der schweren Technik:
(Erkennst du hier den Teil mit dem Windsichter?)

 learningapp1 learningapp2

Das Eindampfen:

Liegt ein Stoff in gelöster Form vor, so kann man ihn dadurch gewinnen , dass man das Lösungsmittel, im dem er fein verteilt ist, verdampft. Dieses geht dabei verloren, wenn man es nicht technisch rückgewinnt. Im Folgenden sieht man das blaue Salz Kupfersulfat gelöst in Wasser. Überlässt man der Sonne oder einer anderen schwachen Wärmequelle oder sogar der Umgebungswärme das „Beseitigen“ des Lösungsmittels , so spricht man vom „Eindunsten“.

Das Filtern – die Filtration:

Filterpapier gibt es in vielen Filterklassen zu kaufen. So sind unsere Staubsauger mit Papierfiltern ausgestattet, die den Staub und die anderen festen Partikel sammeln, aber die Luft durchlassen. Kaffee oder Tee werden durch Filtern zubereitet. Dabei stellen wir es so an, dass die Kaffeebohnenkrümel und die Teeblätter (Kräuter, Gewürzhülsen…) nicht in das Getränk gelangen, die Farbstoffe und Aromen jedoch schon.

Filtern trennt also unlösliche Bestandteile ab einer bestimmten Größe durch Zurückhalten aus der Mischung.

Die Destillation:

Um 2 vermischte Flüssigkeiten oder einen gelösten Feststoff vom Lösungsmittel zu trennen, kann man die Destillation nutzen, wenn die beteiligten Stoffe unterschiedliche Siedepunkte besitzen. Dann siedet der Stoff mit der niedrigeren Siedetemperatur eher und kann durch Kühlung als Reinstoff kondensieren. Die nächsthöher siedende Substanz folgt.

Beispiele:

In Gemischen von Alkohol und Wasser (Wein) siedet der Alkohol schon bei 78°C und verdampft so aus der Lösung. So kann je nach Apparatur bis zu 96% reiner Alkohol gewonnen werden.

Erdöl ist ein Gemisch aus vielen hundert organischen Substanzen (Kohlenwasserstoffe) , die in flüssiger Form vorliegen. Erhitzt man Erdöl vorsichtig, so verdampfen diese Flüssigkeiten und kann man sie siedebereichsweise gewinnen. Solche Stoffe eines bestimmten Siedebereiches nennt man Fraktion.

…und nun mit einem von Wasser durchflossenen Liebigkühler.

VIDEO (Aufbau einer Apparatur)

Weitere Trennverfahren:

Das Zentrifugieren:

Wenn Filtern zu lange dauern würde…

Dekantieren:

Die Chromatographie:

Stell Dir einfach vor die Farben deiner Stifte sind aus winzigen Brocken hergestellt, dabei werden diese je nach Größe von den benutzten Flüssigkeit unterschiedlich weit transportiert. So kann man feststellen, welche anteile von Farben in einem Stift verwendet wurden, um seine Farbe zu gestalten. Und da ist jeder Stift einzigartig. Und jeder Drucker und jede Schreibmaschine auch …

Das geht auch mit sich vollsaugender Kreide…

Das Magnetscheiden:

Von den über 80 Metallen sind nur 3 magnetisch. Aber die verwenden wir sehr häufig. Und deshalb finden wir sie auch, egal wo wir suchen…

Industriell kann man das Verfahren auch einsetzen:

Übe hier die wichtigsten Begriffe zur Stofftrennung:

Stoffgemische trennen, an interactive worksheet by grescho
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