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Lexikon der Chemie: Zusammensetzungsgrößen

Zusammensetzungsgrößen, Zusammensetzungsvariable, Gehaltsgrößen, früher Konzentrationsmaße, Größen, die die quantitative Zusammensetzung gasförmiger, flüssiger oder fester Mischungen (Mischphasen) beschreiben. Man unterscheidet zwischen extensiven und intensiven Z. (Zustandsgröße).

A) Extensive Z. Durch die Angabe der Masse mi oder der Stoffmenge ni jeder einzelnen Komponente i ist die Zusammensetzung der Mischung eindeutig bestimmt. Die extensiven Z. haben jedoch geringere praktische Bedeutung, sie werden vor allem in Beziehungen für extensive Zustandsfunktionen eingesetzt.

B) Intensive Z. Hierunter werden Z. verstanden, bei denen man extensive Größen einer Komponente i (Masse mi, Stoffmenge ni, Volumen Vi) auf extensive Größen der gesamten Mischung oder einer anderen Komponente bezieht. Eine intensive Z. hat für jede beliebige Teilportion der Mischung den gleichen Wert. Die wichtigsten intensiven Z. sind

1) die Anteile. Der Anteil einer Komponente i in einem Mehrstoffsystem ist der Quotient aus einer der Komponente zugeordneten extensiven Größe und der Größe der gleichen Art, die das gesamte System charakterisiert. Je nach der verwendeten Größenart unterscheidet man die Z. Massen-, Stoffmengen- und Volumenanteil. Der Massenanteil (Massenbruch) wi der Komponente i ist der Quotient aus der Masse von i und der Gesamtmasse mM, die sich als Summe der Massen aller Komponenten j ergibt:



.

Analog ist der Stoffmengenanteil (Stoffmengenbruch, meist noch Molenbruch) xi definiert:

. Er spielt besonders

in der physikalischen Chemie eine große Rolle. Bei der Benutzung des Volumenanteils (Volumenbruch) φi = Vi/VM muß beachtet werden, daß sich das Gesamtvolumen VM nur im Falle idealer Mischungen als Summe der Komponentenvolumina Vi ergibt, für reale Mischungen aber davon abweichen kann. Der Volumenanteil wird vor allem bei Flüssigkeitsgemischen zu kommerziellen Zwecken angewandt (z. B. Alkoholgehalt von Spirituosen). Die Anteile sind Verhältnisgrößen der Dimension eins und ohne Einheit. Ihre Werte liegen stets zwischen 0 und 1, die Summe für alle Komponenten der Mischung beträgt 1. Bisweilen werden auch die mit 100 multiplizierten Zahlenwerte der Anteile benutzt und diesen dann die Bezeichnungen Masseprozent (Kurzzeichen Masse-% oder M-%, oft auch nur %), Molprozent (Mol-%) bzw. Volumenprozent (Vol.-%) nachgestellt. Als Z. für die Beschreibung von Gasgemischen dient der Partialdruck pi. Zwischen pi, dem Gesamtdruck p und dem Molenbruch xi besteht für ideale Gasmischungen der einfache Zusammenhang pi = xip.

Für Lösungen werden bevorzugt die folgenden Z. benutzt.

2) die Molalität m-. Sie ist für die Komponente i gleich dem Quotienten aus ihrer Stoffmengen ni = mi/Mi (Mi = Molmasse von i) und der Masse des Lösungsmittels mLm : m-i = ni/mLm = mi/(MimLm). (Das Symbol m-i anstelle des international üblichen Symbols m für die Molalität wird hier benutzt, um eine Unterscheidung zur Masse m vornehmen zu können). Eine Lösung der Molalität m- = 1 mol kg-1 wird als 1 molal (abgekürzt 1 m) bezeichnet.

3) die Konzentrationsgrößen. Sie sind als Quotienten aus einer extensiven Größe der Komponente i und dem Volumen VM der Mischung definiert. Danach gilt für die Massenkonzentration ρ1 = mi/VM, häufig benutzte Einheiten sind g cm-3 und g l-1. Die Stoffmengenkonzentration (kurz Konzentration, häufig noch Molarität) ci ist gleich der Stoffmenge der Komponente i dividiert durch das Volumen der Lösung: ci = ni/VM = mi/(MiVM). Für ci wird häufig auch die Schreibweise [i] (lies "Konzentration von i") verwendet, die übliche Einheit ist mol l-1. Eine Lösung der Konzentration c = 1 mol l-1 wird als 1 molar (1 M) bezeichnet. Alle Konzentrationsgrößen haben (im Gegensatz zur Molalität) den Nachteil, daß sie temperaturabhängig sind.

Ein Spezialfall der Molarität ist die Stoffmengenkonzentration der Äquivalente, auch kurz als Äquivalentkonzentration (Normalität) cev,i bezeichnet: cev,i = nev,i/Vm. Berücksichtigt man die Beziehung nev,i = n1z1 (zi = stöchiometrische Wertigkeit von i), so folgt cev,i = nizi/VM oder mit Worten: Normalität = Molarität · stöchiometrische Wertigkeit. Eine Lösung der Äquivalentkonzentration cev,i = 1 mol l-1 wird als 1 normal (1 N) bezeichnet. Normallösungen stellen Lösungen standardisierter Normalität (z. B. 1 N, 0,1 N ...) dar und werden in der Volumetrie in großem Umfange als Maßlösungen eingesetzt, da sie die stöchiometrische Auswertung von Titrationen erleichtern (Stöchiometrie). Da jedoch die stöchiometrische Wertigkeit einer Verbindung und damit das chem. Äquivalent in vielen Fällen keine konstanten Größen darstellen, sondern sowohl von den Reaktionsbedingungen als auch von der Art des Reaktionspartners abhängen, besteht bei der Benutzung der Normalität als Z. und beim Umgang mit Normallösungen bisweilen Unsicherheit, worauf sich die Angabe bezieht. So ist die Angabe 0,1 M KMnO4 für eine Maßlösung korrekt und eindeutig, die gleiche Lösung kann jedoch als 0,5 N KMnO4 (in saurer Lösung) oder als 0,3 N KMnO4 (in neutraler Lösung) reagieren. Die Normalität sollte deshalb als Z. gar nicht oder nur mit Vorsicht (korrekte Angabe der Äquivalente) benutzt werden.

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