Konzentration

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Stöchiometrie quantitative Analyse

"Alles eine Frage der Dosis!"

Im Alltag stellt sich häufig die Frage nach Grenzwerten: Was gilt als harmlos, WIE VIEL ist bedenklich?

"Die Dosis macht das Gift" ist eine Kernaussage der Chemie. Untersucht man z. B. im Rahmen einer quantitativen Analyse eine Probe hinsichtlich seiner Zusammensetzung, müssen die Inhaltsstoffe nach ihrem relativen Anteil bestimmt werden, also der Konzentration.

Die Konzentrationsangabe von Lösungen kann hierbei in unterschiedlicher Weise erfolgen:

Übliche Konzentrationsangaben

Stoffmengenkonzentration c

Die Stoffmengenkonzentration (veraltet: Molarität) c(X) einer Lösung ist das Verhältnis aus der gelösten Stoffmenge n(X) pro Gesamtvolumen V der Lösung (nicht zu verwechseln mit dem anteiligen Volumen des Lösungsmittels).

   n  
  c(X)  =  ──  
   V  
 (1a)

Einheit der Stoffmengenkonzentration ist mol/L.

Beispiele:

  1. Die Konzentration von rauchender Salzsäure beträgt ca. 10 mol · L-1, kurz: c(HCl) = 10 mol · L-1 oder 10-molare Salzsäure. Es sind daher in genau einem Liter der Salzsäure 10 mol HCl enthalten, also 364,5 g.
  2. Die Konzentration von Natronlauge zur Herstellung von Laugengebäck ("Brezellauge") darf max. 1 mol · L-1, kurz: c(NaOH) = 1 mol · L-1. Es sind daher in genau einem Liter der Lauge 1 mol NaOH enthalten, also 40 g.

Statt Angabe der Konzentration eines Stoffes X als c(X) findet sich häufig die Schreibweise [X]:

   n  
  [X]  =  ──  
   V  
 (1b)


Neben der Stoffmengenkonzentration c(X) ist auch die Angabe als Massen- bzw. Volumen-Konzentration möglich:

Massenkonzentration 𝜷

Die Massenkonzentration 𝜷 steht für das Verhältnis der Masse m eines Stoffes zum Gesamtvolumen V der Lösung, in dem Stoff gelöst ist (nicht zu verwechseln mit dem anteiligen Volumen des Lösungsmittels vor dem Auflösen), kurz:

   m  
  𝜷  =  ──  
   V  
 (2)

Die Angabe der Massenkonzentration z. B. bei Mineralwasser erfolgt in mg/L oder bei Spurengasen in μg/m³.

Die Massenkonzentration kann auch aus der Stoffmengenkonzentration berechnet werden, siehe (5).

Massenanteil w, Massen- und Gewichtsprozent

Der Massenanteil w(X) steht für das Verhältnis der anteiligen Masse m(X) des Stoffes X zur Gesamtmasse mges des Stoffgemisches bzw. Lösung (3). Geht man von den Ausgangsmassen der verschiedenen Komponenten aus, ersetzt man mges gemäß (3a), kurz:

   m(X)  
  w(X)  =  ────  
   mges  
 (3)  bzw. 
   m(X)  
  w(X)  =  ────────  
   m(X) + m(Y)  
 (3a)

Durch Kürzen der Masseneinheit Gramm ergibt sich der Massenanteil w als Zahl zwischen 0 und 1. In der Praxis wird dennoch häufig die ungekürzte Einheit g/g angegeben.

Durch Multiplizieren des Massenanteils mit 100 % erhält man die in der Praxis gebräuchliche Angabe Gewichtsprozent (Abk.: Gew.-%) bzw. Massenprozent.

Die Angabe w(X) = 1 % bedeutet, dass 1 g des Stoffes mit dem Lösemittel auf insgesamt 100 g aufgefüllt werden.

Beispiele:

  • Salzsäure
  • Die Konzentration w von Natronlauge zur Herstellung von Laugengebäck ("Brezellauge") darf max. 4% betragen. Um 1 kg der Lauge herzustellen, müssen 40 g festes Natriumhydroxid rechnerisch mit Wasser auf 1 kg aufgefüllt werden. In der Praxis dürfen die NaOH-Plätzchen nur ins Wasser gegeben werden, nicht umgekehrt, siehe Natronlauge.
  • Es wird Natronlauge w = 30% benötigt. Um 100 g der Lauge herzustellen, müssen 30 g festes Natriumhydroxid in 70 g Wasser gelöst werden.

Volumen-Konzentration σ

Das Stoffvolumen V(X) wird zum Gesamtvolumen Vges nach Zugabe des Lösemittels ins Verhältnis gesetzt. Die Angabe der Volumen-K. σ(X) = 1 Vol.-% bedeutet, dass 1 mL des Stoffes mit dem Lösemittel auf insgesamt 100 mL aufgefüllt werden, Beispiel s. Ethanol.

   V(X) · 100%  
  σ(X)  =  ────────  
   Vges  
 (4a)

Bei sehr geringen Konzentrationen sind neben den oben erwähnten K.- Angaben noch weitere in Gebrauch, z. B. Promille 0/00 (1/1.000), ppm (1/1.000.000) o. ppb (1/1.000.000.000).

Bezieht man bei der Berechnung der Konzentration (4b) das Stoffvolumen V(X) auf das Gesamtvolumen Vges aller Komponenten vor dem Mischen, erhält man wegen des Volumenschwundes beim Mischen einen von der Volumen-Konzentration abweichenden Wert, den Volumenanteil.

Beispiel: Jeweils 50 mL Ethanol und Wasser werden sortenrein abgemessen.

Das Gesamtvolumen Vges aller Komponenten vor dem Mischen beträgt 100 mL. Mit (4b) ergibt sich ein Volumenanteil von 50%.

Beim Durchmischen zeigt sich ein Volumenschwund von ca. 5 mL, damit beträgt das Gesamtvolumen Vges nach Zugabe des Lösemittels aber nur noch 95 mL. Mit (4a) ergibt sich eine Volumen-Konzentration von 52,6% (100% · 50/95).

Umrechnungen

Massenkonzentration - Stoffmengenkonzentration

Die Angabe der Konzentration z. B. bei Trinkwasser erfolgt als Massenkonzentration 𝜷(X) in mg/L. Über die molare Masse M des gelösten Stoffes können Stoffmengenkonzentration c und Massenkonzentration 𝜷 umgerechnet werden:

   𝜷  
  c  =  ──  
   M  
 (5a) bzw. 
     
  𝜷  =  c · M  
     
 (5b)

Beispiele:

1) Gemäß Trinkwasserverordnung beträgt der Grenzwert der Konzentration von Chlorid 250 mg/L. Welcher Stoffmengenkonzentration entspricht dies?

c(Cl-) = 𝜷(Cl-)/M(Cl-)
c(Cl-) = 0,25 g/L / 35,453 g/mol
c(Cl-) = 7,05 mmol/L

Die max. Stoffmengenkonzentration von Chlorid gemäß Trinkwasserverordnung beträgt 7,05 Millimol pro Liter.

2) Die Stoffmengenkonzentration von Natronlauge aus dem dort genannten Beispiel beträgt 1 mol/L. Welcher Massenkonzentration entspricht dies?

𝜷(NaOH) = c(NaOH) · M(NaOH)
𝜷(NaOH) = 1 mol/L · 40 g/mol
𝜷(NaOH) = 40 g/L

Die Massenkonzentration einer 1-molaren Natronlauge beträgt 40 g/L.

Massenanteil - Stoffmengenkonzentration

  1. Elemente Chemie 2, Seite 109, Aufgabe Beispiel: Impulse Umrechnung: Essigsäuregehalt

Messung der Konzentration

In Abhängigkeit vom zu untersuchenden Stoff sind u. a. die folgenden Messmethoden üblich:

  • Messen phyikalischer Eigenschaften wie Dichte (mittels Aräometer), Brechzahl (Refraktometer) oder der elektrischen Leitfähigkeit. Beispiel: Bestimmung der Salinität (Salzgehalt einer Lösung)
  • Fotometrie, Bestimmung über die Farbintensität einer Lösung durch Messen der Extinktion
  • Gravimetrie, hierbei wird der Anteil eines Stoffes in einer Probe nach Fällen durch Wiegen ermittelt. Beispiel: Bestimmung des Kalkanteils in Katzenstreu
  • Titration zur Bestimmung der Konzentation der Wasserstoffionen in einer Säure (erhöhter Zeitaufwand aber vergleichsweise genau) oder durch Messen des pH-Wertes (schnell aber ungenau)

Übungen

Salzwasser

Bei 20 °C lassen sich in 1 Liter Wasser (vereinfacht: m = 1 kg) max. 359 g NaCl lösen. Ein Liter dieser konzentrierten Salzlösung wiegt 1.201 g, d. h. die Dichte beträgt 1,201 g/mL.

Berechne: a) Gesamtmasse der Mischung, b) Gesamtvolumen nach vollständiger Auflösung, c) max. Massenanteil w in %, d) Massenkonzentration, e) Stoffmengenkonzentration, f) Warum ist eine Berechnung der Volumen-Konzentration in diesem Fall nicht sinnvoll?

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  Lösungshinweis

Kupfersulfat

7,3 g CuSO4 · 5 H2O werden in 138 g Wasser gelöst. Berechne w(CuSO4) der Lösung in [g/g].

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  Lösung

Experimente

Im Chemiebuch ...
findest Du weitere Informationen
zum Thema Konzentration:
Chemie FOS-T

auf Seite
105

Chemie heute

auf Seite
143

Elemente Chemie

auf Seite
485, 509

Weblinks