Stoffeigenschaften untersuchen und Dichte berechnen

Einstieg: Zwei weisse Pulver

In der Küche stehen zwei Gläser ohne Etikett. In beiden ist ein weisses, feinkörniges Pulver. Eines ist Kochsalz, das andere Zucker. Probieren ist im Labor verboten, denn dort weisst du nie sicher, was in einem Gefäss ist. Wie findest du trotzdem heraus, welcher Stoff welcher ist? Du untersuchst seine Eigenschaften.

Erklärung: Was ist ein Stoff?

In den Naturwissenschaften ist ein Stoff das Material, aus dem ein Gegenstand besteht. Ein Löffel ist ein Gegenstand, er kann aus Stahl, Holz oder Kunststoff bestehen. Jeder Stoff hat typische Eigenschaften, die ihn von anderen Stoffen unterscheiden. Einige erkennst du mit den Sinnen, andere nur mit Messungen.

Eigenschaft	Wie du sie untersuchst	Beispiel
Farbe, Glanz, Geruch	anschauen, vorsichtig zufächeln	Kupfer glänzt rötlich
Schmelztemperatur	erhitzen, Temperatur messen	Eis schmilzt bei 0 °C
Siedetemperatur	erhitzen, Temperatur messen	Wasser siedet bei 100 °C (auf Meereshöhe)
Dichte	Masse und Volumen messen	Eisen: 7,87 g/cm³
Löslichkeit in Wasser	Stoff in Wasser geben und rühren	Kochsalz löst sich gut, Sand nicht
Brennbarkeit	kleine Probe in die Flamme halten (nur mit Lehrperson)	Holz brennt, Glas nicht
elektrische Leitfähigkeit	in einen Stromkreis mit Lämpchen einbauen	Metalle leiten
magnetisch	Magnet annähern	Eisen wird angezogen, Aluminium nicht

Eine einzelne Eigenschaft reicht oft nicht. Zucker und Salz sind beide weiss und beide gut löslich. Erst mehrere Eigenschaften zusammen ergeben einen Steckbrief, der zu genau einem Stoff passt.

Die Dichte

Ein Kilogramm Federn ist genauso schwer wie ein Kilogramm Eisen, braucht aber viel mehr Platz. Die Dichte gibt an, wie viel Masse in einem bestimmten Volumen steckt:

$\rho = \frac{m}{V}$

Dabei ist $\rho$ (sprich: rho) die Dichte, $m$ die Masse und $V$ das Volumen. Die Dichte ist eine Stoffeigenschaft. Ein kleiner und ein grosser Eisennagel haben dieselbe Dichte.

Stoff	Dichte in g/cm³
Holz (Fichte, trocken)	etwa 0,5
Ethanol (Brennsprit)	0,79
Eis	0,92
Wasser	1,00
Aluminium	2,70
Eisen	7,87
Kupfer	8,96
Gold	19,3

Ein Stoff mit kleinerer Dichte als Wasser schwimmt. Deshalb treibt Eis auf dem Zürichsee, und ein Holzscheit geht nicht unter.

Versuch: Dichte eines Steins bestimmen

Frage: Wie gross ist die Dichte eines Steins aus dem Schulhof?

Material: Stein (passt in den Messzylinder), Waage, Messzylinder mit Wasser.

Durchführung:

1. Wäge den trockenen Stein und notiere die Masse.
2. Fülle den Messzylinder bis zu einer Marke, zum Beispiel 50 ml, und lies genau auf Augenhöhe ab.
3. Lass den Stein schräg und langsam ins Wasser gleiten, damit nichts herausspritzt und nichts zerbricht.
4. Lies den neuen Wasserstand ab. Die Differenz ist das Volumen des Steins. Es gilt 1 ml = 1 cm³.
5. Berechne die Dichte.

Sicherheit: Glasgefässe nicht auf den Tisch knallen lassen. Verschüttetes Wasser sofort aufwischen, nasse Böden sind rutschig.

Beispiele

Beispiel 1: Ein Stein Masse: 81 g. Wasserstand vorher 50 ml, nachher 80 ml. Volumen: 30 cm³.

$\rho = \frac{81\ \text{g}}{30\ \text{cm}^3} = 2{,}7\ \frac{\text{g}}{\text{cm}^3}$

Das passt zu vielen Gesteinen wie Granit oder Kalkstein, die zwischen etwa 2,6 und 2,8 g/cm³ liegen.

Beispiel 2: Echt Gold? Ein Ring hat eine Masse von 9,65 g und ein Volumen von 0,5 cm³.

$\rho = \frac{9{,}65\ \text{g}}{0{,}5\ \text{cm}^3} = 19{,}3\ \frac{\text{g}}{\text{cm}^3}$

Das ist die Dichte von reinem Gold. Ein vergoldeter Messingring hätte eine Dichte von nur etwa 8,5 g/cm³.

Beispiel 3: Salz oder Zucker? Du gibst je eine Spatelspitze in ein Reagenzglas und erhitzt vorsichtig über der Flamme. Zucker schmilzt bald, wird braun und riecht nach Karamell. Salz verändert sich nicht, denn Kochsalz schmilzt erst bei 801 °C. Damit hast du die beiden Stoffe unterschieden, ohne zu probieren.

Merksatz

Stoffe erkennt man an ihren Eigenschaften, zum Beispiel Schmelz- und Siedetemperatur, Dichte, Löslichkeit, Brennbarkeit und elektrischer Leitfähigkeit. Erst mehrere Eigenschaften zusammen ergeben einen eindeutigen Steckbrief. Die Dichte berechnet man mit $\rho = m : V$.

Übungen

Grundlagen

1. Unterscheide Gegenstand und Stoff: Velorahmen, Aluminium, Fensterscheibe, Glas, Holz, Bleistift.
2. Nenne drei Eigenschaften, die du mit den Sinnen feststellen kannst, und drei, für die du ein Messgerät brauchst.
3. Ein Würfel aus Aluminium hat ein Volumen von 10 cm³. Wie gross ist seine Masse?

Weiter

4. Ein Metallstück hat eine Masse von 178 g und verdrängt 20 ml Wasser. Um welches Metall handelt es sich vermutlich?
5. Warum ist der Satz „Eisen ist schwerer als Holz“ ungenau? Formuliere ihn richtig.
6. Begründe, warum man beim Ablesen eines Messzylinders auf Augenhöhe gehen soll.

Knobeln

7. Eine Gruppe misst die Dichte desselben Steins dreimal: 2,6 g/cm³, 2,9 g/cm³ und 2,7 g/cm³. Nenne zwei mögliche Ursachen für die Unterschiede und schlage eine Verbesserung vor.
8. Plane einen Versuch, mit dem du drei weisse Pulver unterscheiden kannst: Kochsalz, Zucker und Gips. Nutze mindestens zwei Eigenschaften.

Lösungen

1. Gegenstände: Velorahmen, Fensterscheibe, Bleistift. Stoffe: Aluminium, Glas, Holz.
2. Mit den Sinnen: Farbe, Glanz, Geruch, Form der Kristalle. Mit Messgerät: Schmelztemperatur, Siedetemperatur, Dichte, elektrische Leitfähigkeit.
3. $m = \rho \cdot V = 2{,}70\ \text{g/cm}^3 \cdot 10\ \text{cm}^3 = 27\ \text{g}$.
4. $\rho = 178\ \text{g} : 20\ \text{cm}^3 = 8{,}9\ \text{g/cm}^3$. Das passt zum Beispiel zu Kupfer (8,96 g/cm³) oder Nickel (8,91 g/cm³).
5. Ein grosser Holzbalken kann schwerer sein als ein kleiner Eisennagel. Richtig ist: Eisen hat eine grössere Dichte als Holz. Gleich grosse Stücke Eisen sind also schwerer als Holz.
6. Von oben oder unten liest man die Skala schräg ab und erhält einen falschen Wert (Parallaxe). Auf Augenhöhe liest man den Wasserstand am unteren Rand der gewölbten Oberfläche genau ab.
7. Mögliche Ursachen: ungenaues Ablesen des Messzylinders, Luftblasen am Stein, Wassertropfen am Stein beim Wägen, Waage nicht auf null gestellt. Verbesserung: einen schmaleren Messzylinder mit feinerer Skala verwenden, mehrmals messen und den Mittelwert bilden.
8. Möglicher Plan: Je eine Spatelspitze in Wasser geben und rühren. Salz und Zucker lösen sich, Gips kaum. Dann die beiden löslichen Stoffe im Reagenzglas vorsichtig erhitzen: Zucker schmilzt und wird braun, Salz bleibt unverändert. Alternativ die Lösungen auf elektrische Leitfähigkeit prüfen: Salzwasser leitet, Zuckerwasser nicht.