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Heat Transfer Coefficient

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Überblick

Die Konzentration einer Lösung kann auf unterschiedliche Weise gemessen werden, beispielsweise durch Messen des Verhältnisses zwischen Masse des gelösten Stoffes und dem Gesamtvolumen der Lösung. Hier betrachten wir die Stoffmengenkonzentration als Verhältnis einer Menge einer Substanz in Mol zum Gesamtvolumen der Lösung. Die Substanz ist in unserem Fall der gelöste Stoff, während das Volumen für die gesamte Lösung gemessen wird, selbst wenn ein anderer gelöster Stoff enthalten ist. Hier wird die Substanzmenge als Anzahl der Elementareinheiten (z. B. Atome oder Moleküle) einer Substanz gemessen. Da es enorme Zahlen an Elementareinheiten in einem kleinen Volumen einer Substanz gibt, verwenden wir spezielle Einheiten, Mol genannt, für die Menge der Substanz. Ein Mol wird als Zahl der Atome in 12 Gramm Kohlenstoff-12 definiert, was etwa 6×10²³ Atome sind.

Mol ist komfortabel für Substanzen, die in ausreichend geringen Mengen vorliegen, die mithilfe von Haushalts- oder industriellen Messgeräten messbar sind. Ansonsten benötigten wir entweder sehr große Zahlen oder sehr geringe Mengen (für Masse oder Gewicht), mit denen schwierig umzugehen ist und die mittels der derzeitig erhältlichen Geräte unmöglich zu messen sind. Die meistens genutzten Elementarteilchen, wenn man mit Mol arbeitet, sind Atome. Man kann Mol auch verwenden, um andere Teilchen zu messen, wie Moleküle oder Elektronen, aber man müsste spezifizieren, welche Teilchen in diesem Fall genutzt werden. Die Stoffmengenkonzentration wird manchmal auch Molarität genannt.

Man sollte Molarität nicht mit einer verwandten Eigenschaft, der Molalität, verwechseln. Anders als die Molarität ist Molalität das Verhältnis der Menge einer Substanz des gelösten Stoffes zur Masse des Lösungsmittels, und nicht zur gesamten Lösung. In einigen Fällen sind die Werte der Molarität und Molalität einer Lösung sehr nah beieinander. Dies ist der Fall, wenn das Lösungsmittel Wasser ist und wenn die Menge des gelösten Stoffes gering genug ist, sodass seine Masse und sein Volumen unbedeutend sind. Dies liegt jedoch nicht immer vor.

Änderungen der Stoffmengenkonzentration

Die Stoffmengenkonzentration kann durch die Temperatur beeinflusst werden, obwohl dies von dem in dieser Lösung gelösten Stoff abhängig ist. Die Temperatur kann verursachen, dass einige Lösungsmittel sich ausdehnen. Wenn der gelöste Stoff sich nicht mit dem Lösungsmittel ausdehnt, verringert sich die Stoffmengenkonzentration. Es ist ebenfalls möglich, dass das Lösungsmittel verdampft, während die Menge des gelösten Stoffes gleich bleibt, wenn die Temperatur steigt. In diesem Fall steigt die Konzentration der Lösung. In manchen Fällen geschieht das Gegenteil. Manchmal ändert die Erhöhung oder Verringerung der Temperatur die Löslichkeit. Im Ergebnis lösen sich alle oder Teile des gelösten Stoffes nicht weiter in der Lösung auf und die Konzentration verringert sich.

Einheiten

Die Stoffmengenkonzentration wird in Mol pro Volumeneinheit gemessen, zum Beispiel in Mol pro Liter oder Mol pro Kubikmeter. Letztere ist die Einheit des internationalen Einheitensystems. Sie kann auch in Mol pro anderer Volumeneinheit gemessen werden.

Die Stoffmengenkonzentration ermitteln

Um die Stoffmengenkonzentration zu ermitteln, muss man die Menge der Substanz und das Gesamtvolumen der Lösung kennen. Um die Menge der Substanz zu bestimmen, kann man die Molekularformel für diese Substanz sowie Daten zur Masse dieser Substanz, die in der Lösung vorliegt, nutzen. Um zu ermitteln, wie viele Mol der Lösung vorliegen, kann man die atomare Masse jedes im Molekül vorhandenen Atoms im Periodensystem nachsehen und dann die Gesamtmasse der Substanz durch das atomare Gesamtgewicht von Atomen in den Molekülen dividieren. Man muss jedoch vor dem Addieren der atomaren Massen jede der atomaren Massen für ein bestimmtes Atom mit der Anzahl der Atome dieses Typs im Molekül multiplizieren.

Die umgekehrte Rechnung ist ebenfalls möglich. Kennt man die Stoffmengenkonzentration der Lösung und die Formel des gelösten Stoffes, kann man die Menge des gelösten Stoffes in der Lösung sowohl in Mol als auch in Gramm bestimmen. Auch dafür muss man dem Periodensystem die atomaren Gewichte entnehmen.

Beispiele

Berechnen wir die Molarität einer Lösung, in der drei Esslöffel Natriumbicarbonat in 20 Liter Wasser gemischt wurden. 1 Esslöffel sind etwa 17 Gramm, also sind 3 Esslöffel 51 Gramm. Natriumbicarbonat ist auch als Natriumhydrogencarbonat bekannt und die chemische Formel ist NaHCO₃. Bei diesem Beispiel arbeiten wir mit Atomen, also bestimmen wir die atomaren Massen für Natrium (Na), Wasserstoff (H), Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (O).

Na: 22.989769
H: 1.00794
C: 12.0107
O: 15.9994

In der Formel gibt es ein O₃, daher müssen wir die atomare Masse von Sauerstoff mit 3 multiplizieren und erhalten 47,9982. Addieren wir nun die atomaren Massen. Wir erhalten 84,006609. Die atomare Masse im Periodensystem wird im Allgemeinen in der atomaren Masseeinheit spezifiziert. Dies ist auch bei unseren Daten der Fall. Diese atomare Masseeinheit entspricht der Masse von 1 Mol eines Elements in Gramm. Das heißt, dass die Masse von 1 Mol NaHCO₃ 84,006609 Gramm beträgt. Es waren 51 Gramm Natriumbicarbonat. Wir können die Molzahl ermitteln, indem wir die Gesamtmenge von 51 Gramm durch die Anzahl Gramm in einem Mol oder 84 Gramm dividieren. Wir erhalten etwa 0,6 Mol.

Das bedeutet, dass wir 0,6 Mol Natriumbicarbonat mit 20 Liter Wasser verwässert haben. Dividieren wir diese Menge Natriumbicarbonat mit 20 Liter, um die Stoffmengenkonzentration zu erhalten: 0,6 Mol / 20 l = 0,03 Mol/l. Wir erhalten eine geringe Konzentration, da wir eine derart geringe Menge Natriumbicarbonat in einer großen Menge Wasser gelöst haben.

Nutzen wir ein anderes Beispiel: Ermitteln wir die Stoffmengenkonzentration eines 1 Zuckerwürfels in einer Tasse Tee. Tafelzucker besteht aus Saccharose. Finden wir zunächst das Gewicht eines Mols Saccharose, dessen Formel C₁₂H₂₂O₁₁ lautet. Anhand des Periodensystems sehen wir, dass die Masse eines Mols 12×12 + 22×1 + 11×16 = 342 Gramm ist. 1 Zuckerwürfel wiegt 4 Gramm, was 4/342 = 0,01 Mol ist. 1 Tasse fasst 237 Milliliter, also ergibt 1 Zuckerwürfel in einer Tasse Tee 0,01 Mol / 237 Milliliter × 1000 (um in Liter zu konvertieren) = 0,049 Mol/Liter.

Einsatzbereiche

Bei der Arbeit mit chemischen Reaktionen wird bequemerweise die Stoffmengenkonzentration genutzt. Der Chemiezweig, der sich mit der Feststellung der Mengen von Grundsubstanzen und Produkte chemischer Reaktion befasst, die Stöchiometrie, arbeitet häufig mit der Stoffmengenkonzentration. Die Stoffmengenkonzentration kann ermittelt werden, indem man die chemische Formel der letztendlichen Komponente nutzt, die der gelöste Stoff wird, wie beim Natriumbicarbonat, aber man kann auch die chemische Gleichung nutzen. Man muss die Formeln und die Mengen der Substanzen (Reaktanten) kennen, die für die chemische Reaktion verwendet werden, um den gelösten Stoff als Endprodukt zu erzeugen. Dann muss man die Gleichung ausgleichen, um das Ergebnisprodukt zu erhalten, und das Periodensystem nutzen, um die erforderlichen Informationen zur Berechnung der Stoffmengenkonzentration zu erhalten. In dem Fall kann man ebenfalls die umgekehrte Berechnung durchführen, wenn man die Stoffmengenkonzentration kennt.

Sehen wir uns ein einfaches Beispiel an. Nehmen wir noch einmal Natriumbicarbonat und vermischen es mit Essig. Wir erhalten eine interessante chemische Reaktion. Man erhält diese Substanzen in jedem Supermarkt, wenn sie nicht schon in der Vorratskammer sind. Die Formel für Natriumbicarbonat ist NaHCO₃, wie bereits erwähnt. Essig ist keine reine Zusammensetzung, es ist eine 5%ige Mischung von Essigsäure und Wasser. Die chemische Formel für Essigsäure ist CH₃COOH. Die Konzentration kann geringer sein, abhängig vom Hersteller und Ursprungsland, weil unterschiedliche Konzentrationen in verschiedenen Ländern als Standard betrachtet werden. Bei dieser Reaktion muss man sich keine Gedanken um das Wasser in der Reaktion machen, da Wasser und Natriumbicarbonat nicht miteinander reagieren.

Die Gleichung für die Reaktion von Natriumbicarbonat und Essigsäure lautet:

NaHCO₃ + CH₃COOH → NaC₂H₃O₂ + H₂CO₃

Eins der Produkte dieser Reaktion, H₂CO₃, ist nicht stabil und durchläuft eine andere Reaktion:

H₂CO₃ → H₂O + CO₂

Also erhalten wir schließlich Wasser (H₂O), Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Natriumazetat (NaC₂H₃O₂). Dann kann man Natriumazetat mit Wasser mischen und mit der Berechnung der Stoffmengenkonzentration fortfahren wie im Beispiel vom Natriumbicarbonat. Bei der Berechnung des Volumens des Wassers muss man das Wasser berücksichtigen, in dem die Essigsäure gemischt ist, sowie auch das Wasser, das ein Produkt aus der chemischen Reaktion ist. Natriumazetat ist eine interessante chemische Zusammensetzung. Es wird für Wärmepads und Handwärmer genutzt.

Setzt man die Stöchiometrie zur Feststellung der Reaktantenmenge oder der Menge des Endprodukts ein, die später in Berechnungen der Stoffmengenkonzentration verwendet werden, wird man sehen, dass nur eine begrenzte Menge eines Reaktants mit anderen Reaktanten reagiert. Das wirkt sich auf den Gehalt des Endprodukts aus. Da die Stoffmengenkonzentration dazu genutzt werden kann, umgekehrte Berechnungen durchzuführen, um herauszufinden, welche Mengen von Reaktanten verwendet werden sollten, ist es nützlich für praktische Anwendungen bei der Arbeit mit chemischen Reaktionen.

Bei jeder Umsetzung von Rezepten, beispielsweise beim Kochen, bei der Herstellung von Medizin oder der Einrichtung eines Aquariums, ist man mit der Konzentration befasst. Während wir im alltäglichen Leben eher mit Gramm arbeiten, werden in der Chemie und Pharmazie die Stoffmengenkonzentration genutzt.

In der Pharmazie

Die Stoffmengenkonzentration ist beim Mischen von Zusammensetzung für die Herstellung von Medizin bedeutend, da es beeinflusst, wie die Medizin sich auf den Körper auswirkt. Einige Medikamente sind giftig, wenn die Konzentration zu hoch ist, und viele sind nicht so wirksam, wenn die Konzentration zu niedrig ist. Darüber hinaus ist die Konzentration wichtig beim Flüssigkeitsaustausch zwischen den Membranen des Körpers. Hier kann man die Stoffmengenkonzentration betrachten oder den Wert für die osmotische Konzentration anhand der Stoffmengenkonzentration. Die osmotische Konzentration wird häufiger in diesem Zusammenhang genutzt. Wenn eine Substanz, zum Beispiel ein Medikament, auf einer Seite der Membran über eine höhere Konzentration verfügt, als auf der anderen Seite der Membran, beispielsweise im Auge, wird die konzentriertere Lösung in den Bereich geringerer Konzentration strömen. Dieser Strom kann Probleme verursachen. Wenn zum Beispiel eine Flüssigkeit in eine Zelle eindringt, wie in eine Blutzelle, kann die Zelle ihre Kapazität für Flüssigkeit erreichen und beschädigt werden. Das Strömen von Flüssigkeit aus der Zelle wäre ebenso problematisch, da es die normale Funktion der Zelle beeinflussen könnte. Daher ist allgemein wünschenswert, die Konzentration des Fluids im beabsichtigten Bereich des Körpers, wie das Blut, und die Konzentration des Medikaments anzupassen.

Hinweis zur Umwandlung vom Stoffmengenkonzentration und osmotischer Konzentration: In einigen Fällen sind diese Werte gleich, aber nicht immer. Es hängt davon ab, ob die in dieser Lösung gelöste Substanz sich während des Prozesses der Dissoziation in Ionen aufgeteilt hat. Der Grund ist, dass die osmotische Konzentration Teilchen im Allgemeinen einbezieht, während die Stoffmengenkonzentration nur eine besondere Art von Teilchen, etwa Moleküle, beinhaltet. Wenn man also beispielsweise die Moleküle für die Stoffmengenkonzentration erachtet, aber die Substanz sich in Ionen aufgespalten hat, würde man weniger Moleküle als die Gesamtzahl Teilchen haben. Daher wäre die Stoffmengenkonzentration geringer. Man sollte die physikalischen Eigenschaften der Lösung kennen, um die Stoffmengenkonzentration in die osmotische Konzentration umzuwandeln.

Apotheker müssen auch die Tonizität einer Lösung berücksichtigen. Tonizität ist eine verwandte Eigenschaft, die von der Konzentration abhängt. Anders als die osmotische Konzentration zeigt die Tonizität die Konzentration von Substanzen in einer Lösung, die nicht durch die Membran des betrachteten Körpers passieren können. Diese Substanzen üben Druck auf die Membran aus ¬– aufgrund von Osmose und ihrer Unfähigkeit, die Barriere zu überwinden. Wenn ein Medikament entwickelt wird, um in den Blutkreislauf oder in sonstige körperliche Flüssigkeiten einzutreten, gleichen Pharmazeuten die Tonizität an, um sicherzustellen, dass das Medikament keinen osmotischen Druck ausübt.

Um die korrekte Tonizität bei Medizin sicherzustellen, wird sie häufig in einer Salzlösung verdünnt. Das ist eine Lösung von Kochsalz (NaCL) in Wasser mit einer Konzentration, durch die sichergestellt ist, dass die Tonizität der Körperflüssigkeit entspricht, wenn das Medikament eingebracht wird. Die Lösung befindet sich in der Regel in einem sterilen Container, wenn sie intravenös verabreicht wird, oder sie wird direkt in das Medikament gemischt.

Weitere Informationen

Dieser Artikel wurde von Kateryna Yuri verfasst.

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Hydraulik – Flüssigkeiten

Die Hydraulik ist ein Gebiet angewandter Wissenschaft und Technik, die sich mit mechanischen Eigenschaften von Flüssigkeiten befasst. Die Hydraulik konzentriert sich auf den technischen Nutzen der Eigenschaften von Flüssigkeit. In der Fluidtechnik wird die Hydraulik zur Erzeugung, Steuerung und Übertragung von Leistung durch den Einsatz von unter Druck stehenden Flüssigkeiten genutzt. Fluidmechanik ist der Zweig in der Physik, bei dem Flüssigkeiten und die auf sie einwirkenden Kräfte untersucht werden. Fluidmechanik kann in Fluidstatik, die Lehre von ruhenden Flüssigkeiten, Fluidkinematik, die Lehre von sich bewegenden Flüssigkeiten, und Fluiddynamik, die Lehre der Auswirkung von Kraft auf Flüssigkeitsbewegung, unterteilt werden.

Die Stoffmengenkonzentration

Die Stoffmengenkonzentration wird als Konzentration definiert, die durch die Menge Mole eines gelösten Stoffes pro Liter einer Lösung gemessen wird. Im internationalen System der Einheiten (Système International d’Unités, SI) lautet die Einheit mol/m³. Die Einheit mol/l ist jedoch üblicher.

Das Mol ist eine Maßeinheit der Menge einer Substanz, die weithin in der Chemie genutzt wird. Das Mol wird als Menge einer Substanz definiert, die genauso viele Elementarteilchen (z. B. Atome, Moleküle, Ionen, Elektronen) wie Atome in 12 Gramm reines Kohlenstoff-12 (¹²C), dem Isotop von Kohlenstoff mit der atomaren Masse 12, enthält. Dies entspricht dem Wert von 6,02214129(27)×10²³ Elementareinheiten der Substanz. Sie ist eine der Basis-Einheiten des internationalen Einheitensystems (SI) und hat das Symbol mol. 6,02214129(27)×10²³ ist die Avogadro-Konstante (N_A).

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Hinweis: Ganzzahlen (Zahlen ohne Dezimalzeichen oder Exponentennotation) werden bis zu 15 Ziffern als genau erachtet. Die maximale Anzahl Ziffern nach dem Dezimalzeichen ist 10 Ziffern.

Bei diesem Umrechner wird die E-Notation verwendet, um Zahlen darzustellen, die zu klein oder zu groß sind. Die E-Notation ist ein alternatives Format der wissenschaftlichen Notation a · 10^x. Zum Beispiel: 1.103.000 = 1,103 · 10⁶ = 1,103E+6. Hier stellt E (gleich Exponent) “· 10^” dar, das heißt “multipliziert mit zehn potenziert mit”. Die E-Notation wird häufig bei Taschenrechnern und von Wissenschaftlern, Mathematikern und Ingenieuren verwendet.

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