Einführung in die Chemie

Begriffe

• DichteEin Maß für die Menge an Materie, die in einem bestimmten Volumen enthalten ist.
• VolumenEine Einheit des dreidimensionalen Raummaßes, das eine Länge, eine Breite und eine Höhe umfasst. Es wird in Einheiten von Kubikzentimetern im metrischen System gemessen.

Volumen und Dichte

Die Eigenschaften eines Materials können auf viele Arten beschrieben werden. Jede Menge eines beliebigen Stoffes hat ein Volumen. Wenn Sie zwei Behälter mit Wasser haben, die unterschiedlich groß sind, enthält jeder eine andere Menge oder ein anderes Volumen an Wasser. Die Einheit für das Volumen ist eine von der SI-Einheit der Länge abgeleitete Einheit und ist kein grundlegendes SI-Maß.

Wenn zwei Wasserproben unterschiedliche Volumina haben, haben sie dennoch ein gemeinsames Maß: die Dichte. Die Dichte ist ein weiteres aus den SI-Grundeinheiten abgeleitetes Maß. Die Dichte eines Materials ist definiert als seine Masse pro Volumeneinheit. In diesem Beispiel ist jedes Wasservolumen unterschiedlich und hat daher eine spezifische und einzigartige Masse. Die Masse von Wasser wird in Gramm (g) oder Kilogramm (kg) ausgedrückt, und das Volumen wird in Litern (L), Kubikzentimetern (cm3) oder Millilitern (mL) gemessen. Die Dichte wird berechnet, indem die Masse durch das Volumen geteilt wird, so dass die Dichte als Einheit von Masse/Volumen gemessen wird, oft g/mL. Wenn beide Wasserproben die gleiche Temperatur haben, sollte ihre Dichte identisch sein, unabhängig vom Volumen der Proben.

Messwerkzeuge

Wenn Sie jemals in einer Küche gekocht haben, haben Sie wahrscheinlich eine Art Messbecher gesehen, der es dem Benutzer ermöglicht, Flüssigkeitsvolumen mit angemessener Genauigkeit zu messen. Der Messbecher drückt das Flüssigkeitsvolumen in den Standard-SI-Einheiten Liter und Milliliter aus. Die meisten amerikanischen Messbecher messen Flüssigkeit auch im älteren System von Cups und Unzen.

Volumetrische Glasgeräte

Wissenschaftler, die in einem Labor arbeiten, müssen mit typischen Laborglasgeräten, oft als volumetrische Glasgeräte bezeichnet, vertraut sein. Dazu gehören beispielsweise Bechergläser, ein Messkolben, ein Erlenmeyerkolben und ein Messzylinder. Jedes dieser Gefäße wird in einer Laborumgebung verwendet, um Flüssigkeitsvolumina für verschiedene Zwecke zu messen.

Dichte von Wasser

Unterschiedliche Substanzen haben unterschiedliche Dichten, daher wird die Dichte oft als Methode zur Identifizierung eines Materials verwendet. Durch den Vergleich der Dichten zweier Materialien kann auch vorhergesagt werden, wie sich die Substanzen verhalten werden. Wasser wird als gemeinsamer Standard für Stoffe verwendet und hat eine Dichte von 1000 kg/m3 bei Standardtemperatur und -druck (STP genannt).

Wasser als Dichtevergleich verwenden

Wenn ein Objekt in Wasser gelegt wird, bestimmt die relative Dichte des Objekts, ob es schwimmt oder sinkt. Wenn das Objekt eine geringere Dichte als Wasser hat, schwimmt es an der Wasseroberfläche. Ein Objekt mit einer höheren Dichte wird sinken. Kork hat zum Beispiel eine Dichte von 240 kg/m3 und schwimmt daher. Luft hat eine Dichte von ca. 1,2 kg/m3 und steigt daher sofort an die Spitze einer Wassersäule. Die Metalle Natrium (970 kg/m3) und Kalium (860 kg/m3) schwimmen beide auf Wasser, während Blei (11.340 kg/m3) sinkt.

Flüssigkeiten neigen dazu, Schichten zu bilden, wenn sie zu Wasser hinzugefügt werden. Der Zuckeralkohol Glycerin (1.261 kg/m3) sinkt in das Wasser ein und bildet eine eigene Schicht, bis er gründlich durchmischt ist (Glycerin ist wasserlöslich). Pflanzenöl (ca. 900 kg/m3) wird auf dem Wasser schwimmen und, egal wie kräftig es gemischt wird, immer als Schicht auf die Wasseroberfläche zurückkehren (Öl ist in Wasser nicht löslich).

Die variable Dichte von Wasser

Wasser selbst ist ein kompliziertes und einzigartiges Molekül. Selbst wenn der Druck konstant ist, ändert sich die Dichte von Wasser in Abhängigkeit von der Temperatur. Erinnern Sie sich daran, dass die drei Grundformen der Materie fest, flüssig und gasförmig sind (ignorieren Sie Plasma vorerst). Als Faustregel gilt, dass fast alle Materialien in ihrer festen oder kristallinen Form eine höhere Dichte haben als in ihrer flüssigen Form; legen Sie die feste Form fast aller Materialien auf die Oberfläche ihrer flüssigen Form, so sinkt sie. Wasser hingegen macht etwas ganz Besonderes: Eis (die feste Form von Wasser) schwimmt auf flüssigem Wasser.

Schauen Sie sich die Beziehung zwischen der Temperatur von Wasser und seiner Dichte genau an. Beginnend bei 100 °C nimmt die Dichte von Wasser stetig zu, bis zu einer Temperatur von 4 °C. An diesem Punkt kehrt sich der Trend der Dichte um. Bei 0 °C gefriert das Wasser zu Eis und schwimmt.

Die Implikationen dieser einfachen Tatsache sind enorm: Wenn ein See gefriert, bildet sich an der Oberfläche eine Eiskruste, die die darunter liegende Flüssigkeit vor dem Gefrieren schützt, während gleichzeitig das kältere Wasser (mit einer Temperatur von ca. 4 °C und einer hohen Dichte) auf den Grund sinkt. Wenn Eis nicht schwimmen würde, würde es auf den Grund sinken, wodurch sich mehr Eis bilden und sinken könnte, bis der See fest gefriert! Taucher und Schwimmer treffen oft auf diese Wassertemperatur-Gradienten, und sie könnten sogar auf eine Wasserschicht am Grund eines Sees mit einer Temperatur von etwa 4 °C treffen. Das ist gerade mal so kalt, wie der See am Grund wird; sobald das Wasser kälter wird, wird das flüssige Wasser weniger dicht und steigt auf.