Gemisch

Ein Gemisch oder Stoffgemisch ist eine Substanz, die aus mindestens zwei Reinstoffen besteht. Gemische können physikalische Eigenschaften aufweisen, die sich von denen der in ihnen enthaltenen Reinstoffe erheblich unterscheiden.

Die physikalischen, mechanischen und rheologischen Eigenschaften eines Gemisches hängen dabei in der Regel von der Zusammensetzung des Gemisches ab und sind den entsprechenden Eigenschaften eines der enthaltenen Reinstoffe in der Regel umso ähnlicher, je höher der Gehalt des betreffenden Reinstoffes ist.

Ein Gemisch aus zwei Reinstoffen wird binäres Gemisch oder binäres System genannt, ein Gemisch aus drei Reinstoffen ternäres Gemisch oder ternäres System.

Arten von Gemischen

Grundsätzlich lassen sich Gemische in homogen und heterogen einteilen. In homogenen Gemischen sind die darin enthaltenen Reinstoffe auf molekularer Ebene vermischt, oder, im Fall von homogenen Legierungen in gleichförmiger Weise in Kristallstrukturen eingebunden. In einem homogenen Gemisch besitzen dessen Komponenten an jedem Ort innerhalb des Volumens, dass das homogene Gemisch einnimmt, dieselbe Konzentration. Heterogene Gemische werden als Dispersion bezeichnet.

Homogene Gemische, aber auch manche heterogenen Gemische haben einen bestimmten Aggregatzustand (fest, flüssig oder gasförmig). Beispielsweise werden unter Lösungen in der Regel Flüssigkeiten verstanden.

Beispiele für Feststoffgemische in der Natur sind Dolomit und Granit. Granit ist ein Gemisch aus Quarz, Feldspat, Glimmer und Hornblende. Korund gilt als besonders wertvoll, wenn darin geringe Mengen Titan- oder Eisenoxid (Saphier), oder Chromoxid (Rubin) gelöst sind, also Titan-, Eisen- oder Chromionen in die Kristallstruktur eingebunden sind. Ein grobdisperses Gemisch aus vulkanischen Mineralien und Luft ist Bims. Auch anderes Vulkangestein besteht aus einem Gemisch unterschiedlicher Mineralien.

Das bekannteste gasförmige Gemisch ist die Luft. Dieses Gasgemisch besteht im Wesentlichen aus Stickstoff, Sauerstoff und Argon. „Verbrauchte“ Luft enthält darüber hinaus auch nennenswerte Mengen an Kohlendioxid (ab 14 % giftig).

Maßbegriffe für die Zusammensetzung von Gemischen

Die Zusammensetzung von Gemischen kann über den relativen Gehalt der einzelnen, im Gemisch enthaltenen Komponenten angegeben werden. Übliche Gehaltsangaben sind der Massenanteil, der Stoffmengenanteil sowie der Volumenanteil. Ebenso können Gemischzusammensetzungen über volumenbezogene Konzentrationen der im Gemisch vorhandenen Reinstoffe, wie die Massenkonzentration, die Stoffmengenkonzentration und die Volumenkonzentration, spezifiziert werden. Weiterhin können Gemischzusammensetzungen durch die Molalitäten der im Gemisch vorhandenen Reinstoffe quantifiziert werden. Häufig werden Gemischzusammensetzungen im Hinblick auf bestimmte, im jeweiligen Anwendungskontext relevante Komponenten angegeben. Beispiele hierfür sind die Salinität und der Zuckergehalt.

Physikalische Chemie

Thermodynamisch kann zwischen idealen und realen Mischungen unterschieden werden. In idealen Mischungen verhalten sich die enthaltenen Reinstoffe so, dass kein Unterschied zwischen ihren Stoffmengenanteilen und ihren thermodynamischen Aktivitäten besteht. In diesem Fall lassen sich die Gemischeigenschaften auf Basis der Stoffmengenanteile vorhersagen. In realen Gemischen sind die Stoffmengenanteile der Komponenten von den Aktivitäten der Komponenten verschieden. Die Gemischeigenschaften lassen sich nur mittels der Aktivitäten, nicht jedoch mittels der Stoffmengenanteile präzise vorhersagen.

Gemische können Phasenübergänge durchlaufen, wobei sich das Phasenverhalten von Gemischen durch Phasendiagramme darstellen lässt. So können feste und flüssige Gemische häufig sowohl thermodynamische Zustände einnehmen, in denen sie homogen sind, als auch thermodynamische Zustände, in denen sie heterogen sind und in Form miteinander im thermodynamischen Gleichgewicht stehender koexistierender Phasen existieren. Ein thermodynamischer Zustand ist dabei neben der Gemischzusammensetzung durch einen bestimmten Druck, eine bestimmte Temperatur und ein bestimmtes Gemischvolumen gekennzeichnet.

Ein homogenes Gemisch nimmt in seinem thermodynamischen Zustandsraum einen Zustand ein, in dem es als homogene Mischphase vorliegt. Durch Entmischung kann das homogene Gemisch in ein heterogenes Gemisch überführt werden. Dabei wird es durch eine Zustandsänderung, wie beispielsweise durch eine Temperatur- oder Druckänderung, in einen Bereich seines Zustandsraumes überführt, in dem dieser eine Mischungslücke aufweist. Umgekehrt lassen sich koexistierende Phasen durch eine entsprechende Zustandsänderung wieder in eine homogene Mischphase umwandeln. Weiterhin lassen sich viele homogene Gemische durch Phasenübergänge in andere Aggregatzustände überführen. Hierbei wird meist ein Koexistenzgebiet durchlaufen, in dem eine Phase im Ausgangsaggregatzustand und eine Phase des sich neu bildenden Aggregatzustandes, die sich in ihrer stofflichen Zusammensetzung unterscheiden, koexistieren. Ausnahmen hiervon sind Azeotrope und Eutektika.

Verfahrenstechnik

Die Herstellung von Gemischen durch Mischen ist eine Grundoperation in der mechanischen Verfahrenstechnik und in der chemischen Reaktionstechnik. Während Gase sich spontan mischen, spielen bei Gemischen im flüssigen Aggregatzustand Mischbarkeiten und Löslichkeiten eine erhebliche Rolle. Eine gebräuchliche Methode zur Herstellung von Gemischen mit zumindest einer flüssigen Komponente ist Rühren. Das Vermischen hochviskoser Komponenten erfolgt unter anderem durch Kneten. Das Mischen von Stoffen ist thermodynamisch mit einer Mischungsenthalpie verbunden und kann exotherm oder endotherm verlaufen. Daher kann auch das Management von Wärmeströmen einen wichtigen Aspekt für die Planung und Durchführung eines Mischvorganges darstellen.

Die Auftrennung von Gemischen in deren Reinstoffe kann mittels diverser technischer Trennmethoden erfolgen. Diese fallen häufig in den Bereich der thermischen Verfahrenstechnik, wie beispielsweise Destillation, Rektifikation, Extraktion, Membrantechnik und Umkehrosmose.

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