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Grundlagen zu Größen und Einheiten und deren Anwendung in der Chemie

Stoffmengen und Konzentrationen

Stoffmengen und Konzentrationen sind grundlegende Konzepte in der Chemie, die es uns ermöglichen, die Zusammensetzung von chemischen Mischungen quantitativ zu beschreiben.

  • Stoffmengenkonzentration (mol/L): Die Stoffmengenkonzentration, oft auch Molarität genannt, gibt an, wie viele Mol eines gelösten Stoffes in einem Liter Lösung enthalten sind. Zum Beispiel: Bei einem Liter Wasser (das ungefähr 1000g wiegt) bei 20°C sind ca. 55 mol Wasser enthalten, da ein Mol Wasser 18g wiegt. Die Stoffmengenkonzentration von Wasser würde man mit der Formel \[c(H_2O) = \frac{1000\, g/L}{18\, g/mol}\] berechnen, was zu einem Ergebnis von 55,55 mol/L führt. Solche Beispiele solltet ihr einmal im Kopf durchgehen, damit man die Berechnung in der Prüfung auch überschlagen kann.

Arten von Konzentrationen und deren Ausdruck

Konzentrations- und Anteilsangaben sind vielseitig und können auf verschiedene Weisen ausgedrückt werden:

  • Volumenkonzentration und Volumenanteil: Diese Größen zeigen den Anteil eines gelösten Stoffes in Bezug auf das gesamte Volumen der Lösung. Sie sind typischerweise dimensionslos und können in Prozent angegeben werden.
  • Massenkonzentration (g/L): Gibt die Masse des gelösten Stoffes pro Volumeneinheit der Lösung an. Im Gegensatz zu Volumenkonzentration und Massenanteilen wird sie nicht typischerweise in Prozent angegeben.
  • Massenanteil: Zeigt den Anteil eines gelösten Stoffes in Bezug auf die gesamte Masse der Lösung an und kann ebenfalls in Prozent ausgedrückt werden.

Kalibrierung und Messung von Konzentrationen durch Photometrie

Die Photometrie ist eine Messmethode, um die Konzentration von Stoffen in Lösungen zu bestimmen. Wichtig zu verstehen ist:

  • Die Empfindlichkeit einer Methode beschreibt, wie stark ein Messergebnis auf eine Konzentrationsänderung reagiert. Bei einer linearen Beziehung entspricht die Empfindlichkeit der Steigung der Kalibriergerade und wird in der Einheit \(l/mg\) angegeben.
  • Zur Kalibrierung misst man die Absorption von Lösungen bekannter Konzentrationen.

Einfluss der Temperatur auf chemische Größen

Temperaturänderungen wirken sich auf viele chemische Größen aus:

  • Eine Temperaturerhöhung führt typischerweise zu einer Volumenerweiterung, was bei der Messung von Volumina und Konzentrationen berücksichtigt werden muss.
  • In der Nernst-Gleichung, welche die Spannung einer galvanischen Zelle berechnet, muss die Temperatur als Variable einbezogen werden, um präzise Ergebnisse zu erzielen.

ppm und Lösungsverdünnungen

  • ppm (parts per million) drückt einen Massenanteil aus und wird häufig verwendet, um sehr niedrige Konzentrationen zu beschreiben. Die Umrechnung in andere Einheiten, wie µg/ml oder mg/ml, ist wichtig, um die Konzentration praktisch zu nutzen.
  • Bei Verdünnungen bleibt die Masse des gelösten Stoffes konstant, egal, wie viel Verdünnungsmittel zugefügt wird.

Praktische Beispiele und Konzentrationsberechnungen

Die Fähigkeit, Konzentrationen zu berechnen und Einheiten umzurechnen, ist essenziell:

  • Die allgemeine Formel zur Berechnung der Stoffmengenkonzentration lautet

\[c = \frac{\rho \times \omega}{M_r}\]

wobei \(\rho\) die Dichte, \(\omega\) den Massenanteil und \(M_r\) die Molekülmasse repräsentiert. - Bei Umrechnungen von Volumeneinheiten gilt, dass 1 cm³ = 10⁻³ dm³, was bei der Berechnung von Lösungskonzentrationen berücksichtigt werden muss.

Wichtig zu beachten

Das IMPP fragt besonders gerne nach der Umrechnung von Einheiten und der Anwendung von Formeln in unterschiedlichen Kontexten. Verstehe nicht nur, wie Formeln angewendet werden, sondern auch die dahinterstehenden Konzepte, um flexibel auf verschiedene Fragestellungen reagieren zu können.

Zusammenfassung

  • Volumen- und Massenkonzentrationen verdeutlichen die Menge eines gelösten Stoffs in der Lösung; während Volumenkonzentrationen und Volumenanteile in Prozent ausgedrückt werden können, bezieht sich die Massenkonzentration auf die Masse pro Volumeneinheit (g/l).
  • Kalibrierung in der Photometrie basiert auf der Messung von Absorptionen unterschiedlich konzentrierter Lösungen, wobei die Empfindlichkeit der Methode durch die Steigung der Kalibriergeraden repräsentiert wird.
  • Stoffmengenkonzentration (c) ist definiert als die Anzahl der Teilchen pro Volumeneinheit und wird in mol/L angegeben; für Wasser bei 20°C beträgt die Konzentration etwa 55,55 mol/l.
  • Temperaturabhängige Beziehungen beinhalten Volumenexpansion bei Temperaturerhöhung und die Einbeziehung der Temperatur in die Berechnung galvanischer Zellspannungen mittels der Nernst-Gleichung.
  • Konzentrationsangaben in ppm dienen zur Darstellung von Massenanteilen sehr geringer Konzentrationen und können in µg/ml oder mg/ml umgerechnet werden; entscheidend ist, dass die Masse des gelösten Stoffs bei Verdünnungen gleich bleibt.
  • Konzentrationsberechnungen nutzen die Formel c = ρ * ω / Mr, wobei die Dichte (ρ) und die Lösungsdichte von g/cm³ in g/dm³ umgerechnet werden müssen.

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