Wikijunior Die Elemente/ Mischungen

Es gibt viele Arten von Mischungen. Was unterscheidet sie von Lösungen und Verbindungen? Bei Verbindungen sind zwei oder mehr Elemente chemisch zu einem Stoff verbunden. In Lösungen sind die verschiedenen Stoffe zwar nicht chemisch verbunden, aber überall in der Lösung gleichmäßig verteilt. Bei Stoffgemischen sind zwei oder mehr Stoffe so miteinander vermischt, dass man immer noch eine Grenze zwischen den Stoffen finden kann – die Grenzfläche. Manchmal kannst du die Stoffe mit bloßem Auge unterscheiden, z.B. bei Matsch, wenn Sand und Wasser vermischt werden. Manchmal braucht man auch ein Mikroskop dazu, weil die Teilchen der Stoffe fein verteilt und winzig klein sind.

Legierungen

Die meisten Elemente sind Metalle, es gibt mehr als 80 davon. In der Technik werden aber so gut wie nie reine Elemente verwendet, sondern Legierungen. Das sind Mischungen von zwei oder mehr Metallen. Aber auch ein Metall mit einem Nicht-Metall kann eine Legierung sein. Durch das Mischen wird das Metall härter und fester.

Wie werden Legierungen hergestellt ?

Du fragst dich vielleicht, wie die Metalle vermischt werden. Dazu müssen die Metalle geschmolzen werden. Dazu braucht man sehr hohe Temperaturen. Bei einigen Metallen sind das ein paar hundert Grad, bei anderen 1500 °C, und noch mehr. Quecksilber hat mit -40 °C den niedrigsten Schmelzpunkt aller Metalle, es ist also bei Zimmertemperatur flüssig. Das Element Wolfram schmilzt erst bei unglaublichen 3500 °C!

Bronze

Bronze ist die älteste Legierung, die wir kennen. Schon vor 5.000 Jahren wurde sie erfunden. Davor verwendeten die Menschen reines Kupfer für ihre Werkzeuge. Kupfer ist aber viel zu weich für Werkzeuge: die Klinge einer Axt wird schnell stumpf, oder die Axt verbiegt sich bei der Arbeit. Dann vermischten sie Kupfer (vielleicht zufällig) mit etwas Zinn. Das Ergebnis war die Legierung Bronze. Bronze ist viel härter und fester als reines Kupfer. Die Bronzezeit dauerte etwa 2.000 Jahre.

Stahl

Vor 3.000 Jahren lernten die Menschen, aus Erz Eisen zu gewinnen. Damit begann die Eisenzeit.

Heute ist Stahl die wichtigste Legierung in der Technik. Interessanterweise ist Stahl eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff – einem Nicht-Metall. Kohlenstoff macht Eisen härter und fester, aber dafür bricht es schneller, kann weniger gut gebogen werden und rostet schneller. Diesen Nachteil gleichen andere Legierungselemente wieder aus.

Wenn genug Chrom im Stahl ist, kann der Stahl rostfrei sein, denn Chrom verhindert, dass der Stahl rostet.

Stahlteile können verzinkt werden. Der Stahl wird in geschmolzenes, 450 °C heißes Zink getaucht. Der Stahl überzieht sich mit einer Zinkschicht, die nur ein zehntel Millimeter dick ist. Das reicht aber, um den Stahl für Jahrzehnte vor Rost zu schützen.

Es gibt unglaublich viele Legierungen. Wie bei einem Kochrezept werden die Legierungselemente zusammen gemischt, etwas mehr hiervon, etwas weniger davon – und man erhält einen Werkstoff mit ganz anderen Eigenschaften.

Emulsionen

Eine Emulsion ist ein Gemisch von zwei Flüssigkeiten, meistens Wasser und Öl, die sich eigentlich nicht mischen lassen. Milch ist zum Beispiel eine Emulsion, die aus Wasser, Kohlenhydraten, Eiweiß und Fett besteht. Auch Mayonnaise und die meisten Kosmetika sind Emulsionen.

Warum lassen sich Wasser und Öl nicht mischen ?

a) Wasser und Öl lassen sich nicht mischen, sie trennt eine Grenzfläche

b) Winzige Öltröpfchen schwimmen jetzt im Wasser, jedes Tröpfchen ist von einer Grenzfläche umgeben.

Der Grund ist, dass Wassermoleküle und die von Öl durch verschiedene Kräfte zusammengehalten werden. Deshalb können sich Wassermoleküle nicht zwischen die Moleküle des Öls drängen und umkehrt. Das Ergebnis ist die Grenzflächenspannung.

Vielleicht hast du schon mal etwas von der Oberflächenspannung des Wassers gehört. Dadurch können einige Insekten übers Wasser laufen. Wenn du eine Nadel ganz vorsichtig auf eine Wasseroberfläche legst, wirst du sehen, dass sie schwimmt! Du kannst auch sehen, dass das Wasser ein wenig am Rand des Glases „hoch kriecht“. Der selbe Effekt sorgt für die Grenzflächenspannung zwischen zwei Flüssigkeiten.

Experiment 1

Was brauchen wir?

Ein Glas mit Wasser (halbvoll)
Salat- oder Pflanzenöl
Etwas zum Umrühren

Wie wird´s gemacht?

Schütte etwas Öl in das Wasser. Du wirst sehen, dass sich das Öl auf der Wasseroberfläche sammelt. Aus den Öltropfen wird sehr schnell eine einzige „Pfütze“. Du kannst ganz deutlich eine glatte Grenze zwischen Öl und Wasser sehen – das ist die Grenzfläche.
Jetzt versuche, Wasser und Öl durch Umrühren zu vermischen. (Das geht mit einer Gabel ganz gut.) Du wirst sehen, dass danach viele kleine Tropfen im Wasser sind. Aber die Tropfen schwimmen alle nach oben und verbinden sich wieder zu größeren Tropfen. Wenn du lange genug wartest, ungefähr eine halbe Stunde, werden sich alle Tropfen zu einer einzigen Pfütze verbinden.

Was ist passiert?

Wie gesagt, Wasser und Öl wollen sich nicht mischen lassen.
Weil Öl leichter ist als Wasser, schwimmt es oben auf der Wasseroberfläche.
Die Grenzflächenspannung versucht, die Grenze zwischen Öl und Wasser so klein wie möglich zu halten. Wenn zwei kleine Tropfen sich berühren, verschmelzen sie zu einem größeren.

Wie schafft man es, dass sich Öl und Wasser zu einer Emulsion verbinden?

Es gibt Stoffe, die Tenside oder Emulgatoren genannt werden. Tenside findest du in Waschpulvern und Spülmitteln, Emulgatoren in vielen Lebensmitteln. Sie lassen die Oberflächenspannung verschwinden. Wasser und Öl lassen sich zwar nicht verbinden, aber die winzigen Tröpfchen, die beim Umrühren entstehen, wachsen nicht mehr zusammen.

Experiment 2

Was brauchen wir?

Das Glas vom ersten Experiment
Spülmittel
Etwas zum Umrühren

Wie wird´s gemacht?

Hast du noch das Glas vom ersten Experiment? Wo sich Öl und Wasser getrennt haben?
Gib einen kleinen Spritzer Spülmittel in das Glas ...
... rühr kräftig um und beobachte dann, was passiert.

Was ist passiert?

Ohne das Spülmittel sind die Öltropfen nicht kleiner als drei oder vier Millimeter geworden.
Mit dem Spülmittel sind sie nach dem Umrühren viel kleiner geworden, so dass man sie gerade noch sehen kann.
Die Tröpfchen schwimmen zwar noch nach oben, aber sie verbinden sich nicht mehr zu großen Tropfen.
In dieser Form bleiben die Tropfen noch tagelang erhalten.
Dadurch vermischen sich Wasser und ÖL.

Suspensionen

Wenn feste Stoffe in Flüssigkeiten schweben, nennt man dies eine Suspension. Kakao, Wandfarbe, Abwasser, Mörtel, Blut und vieles mehr sind Suspensionen.

Experiment 3

Was brauchen wir?

Ein Glas mit Wasser (halbvoll)
Erde
Etwas zum Umrühren

Wie wird´s gemacht?

Gib etwas Erde in das Wasser. Du wirst sehen, dass die Erde nach unten sinkt und das Wasser leicht trübe wird.
Jetzt versuche, Wasser und Erde durch Umrühren zu vermischen. (Das geht mit einer Gabel ganz gut.) Du wirst sehen, dass das Wasser noch trüber wird. Aber die schweren Bestandteile der Erde (Sandkörner und Steine) lagern sich am Boden ab.
Lass das Glas mit dem Wasser einen Tag stehen. Wenn du lange genug gewartet hast, wird das Wasser wieder klar sein. Auch kleinere Bestandteile des Wassers sind inzwischen zu Boden gesunken.

Was ist passiert?

Weil Erde schwerer ist als Wasser, sammelt sich am Boden. (Die Ablagerung bezeichnet man als Sediment.)
Die kleineren festen Bestandteile des Wassers benötigen Zeit, sich abzusetzen. (Diesen Vorgang nennt man Sedimentation.)
Die Trübung im Wasser zeigt, dass sich Feststoffe darin befinden. (Dies nennt man eine Suspension.)

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