Gehaltsangabe

Grundidee und Arten von Gehaltsangaben

Gehaltsangaben, auch Gehaltsgrößen genannt, geben in Chemie und Physik nach DIN 1310 den Gehalt eines Stoffes in einem Stoffgemisch an. Sie quantifizieren also den materiellen Anteil eines einzelnen Stoffes an einem festen, flüssigen oder gasförmigen Gemisch, zum Beispiel an einer wässerigen Lösung oder einer Legierung.

Die Gehaltsangaben beruhen auf den drei physikalischen Basisgrößen Masse m, Volumen V und Stoffmenge n. Gehaltsgrößen sind Quotientengrößen: Sie werden als Verhältnis zweier Größen durch Größengleichungen definiert.

Man unterscheidet drei Grundarten: Verhältnisse beziehen die Größe einer Komponente auf die gleiche Größe einer anderen Komponente. Anteile beziehen die Größe einer Komponente auf die Summe derselben Größe aller Komponenten. Konzentrationen beziehen die Größe einer Komponente auf das Endvolumen, also das Gesamtvolumen der Mischung oder Lösung.

Alle Gehaltsgrößen, die ein Volumen enthalten, sind temperaturabhängig. Deshalb gehört zu eindeutigen Angaben von Volumenanteilen, Konzentrationen und Volumenverhältnissen auch die Temperatur.

Verhältnisse zweier Komponenten

Bei einem Verhältnis wird eine Größe einer Komponente i auf dieselbe Größe einer anderen Komponente j bezogen, etwa auf ein Lösungsmittel oder eine zweite Mischungskomponente.

Das Massenverhältnis ist definiert als ζ = m(i) / m(j). Es vergleicht die Masse der Komponente i mit der Masse der Komponente j.

Das Stoffmengenverhältnis ist definiert als r = n(i) / n(j). Es vergleicht die Stoffmenge der Komponente i mit der Stoffmenge der Komponente j.

Das Volumenverhältnis ist definiert als ψ = V(i) / V(j). Es vergleicht das Volumen der Komponente i mit dem Volumen der Komponente j. Da Volumina temperaturabhängig sind, muss bei solchen Angaben die Temperatur mitgedacht beziehungsweise angegeben werden.

Anteile einer Komponente

Bei einem Anteil wird die Größe einer Komponente i auf die Summe derselben Größe der Komponenten i und j bezogen.

Der Massenanteil ist definiert als w(i) = m(i) / (m(i) + m(j)). Er gibt an, welcher Anteil der Gesamtmasse auf die Komponente i entfällt.

Der Stoffmengenanteil ist definiert als χ(i) = n(i) / (n(i) + n(j)). Eine veraltete Bezeichnung dafür ist Molenbruch.

Der Volumenanteil ist definiert als φ(i) = V(i) / (V(i) + V(j)). Für ideale Gase i gilt φ(i) = x(i).

Die Angaben „Masse-%“ und „Volumen-%“ entsprechen dem Massenanteil beziehungsweise Volumenanteil mal 100. Diese Bezeichnungen sind unsystematisch, kommen aber noch vor; Prozent ist dabei nur eine andere Schreibweise für die Zahl 0,01.

Prozent, ppm und Volumenprobleme

Gehalte können in Prozent angegeben werden, also als 1 % = 1 : 100 Teile der Gesamtmasse oder des Gesamtvolumens. Daneben gibt es Angaben in Promille (1 : 1000), ppm (1 : 1 Million), ppb (1 : 1 Milliarde oder 1 Billion), ppt (1 : 1 Billion oder einer Trillion oder Tausend) und ppq (1 : 1 Billiarde oder 1 Quadrillion).

Außer Prozent und Promille sind solche Bezeichnungen vom kulturellen Kontext von Autor und Leser abhängig und daher nicht empfehlenswert. Stattdessen können Brüche von Einheiten verwendet werden, zum Beispiel µg/kg. Das verringert die Wahrscheinlichkeit, dass die gemeinten Einheiten falsch angegeben oder interpretiert werden. Eine seltene Alternative ist die Verwendung von SI-Präfixen wie µ% oder p%.

Bei Volumenangaben ist wichtig, ob das Volumen des Gemischs vor oder nach dem Mischen gemeint ist. Das Volumen eines Gemisches ist nicht immer gleich der Summe der Volumina der einzelnen Komponenten vor dem Mischen, weil Volumenkontraktion oder Volumenausdehnung, auch Volumendilatation, auftreten kann. Bei Volumenkontraktion gilt: V(i) + V(LM) > V(Lösung).

Deshalb müssen Volumenanteil φ(i), bezogen auf die Summe der Einzelvolumina, und Volumenkonzentration σ(i), bezogen auf das Volumen der Lösung nach dem Lösen, unterschieden werden. Oft ist die Angabe des Volumenanteils unzweckmäßig; besser ist dann die Volumenkonzentration.

Konzentrationen und Molalität

Bei Konzentrationen wird die Größe einer Komponente i auf das Endvolumen der Lösung V(Lsg) bezogen.

Die Massenkonzentration ist definiert als β(i) = m(i) / V(Lsg). Sie gibt die Masse einer Komponente pro Lösungsvolumen an.

Die Stoffmengenkonzentration ist definiert als c(i) = n(i) / V(Lsg). Sie gibt die Stoffmenge einer Komponente pro Lösungsvolumen an.

Die Volumenkonzentration ist definiert als σ(i) = V(i) / V(Lsg). Sie unterscheidet sich vom Volumenanteil, weil sie sich auf das Volumen der fertigen Lösung bezieht.

Die Molalität ist definiert als b(i) = n(i) / m(LM). Sie bezieht also die Stoffmenge der gelösten Komponente auf die Masse des Lösungsmittels.

In der Chemie gibt es außerdem die veraltete Gehaltsangabe Normalität. Dabei wurde die Stoffmengenkonzentration c = n/V, veraltet Molarität genannt, mit der stöchiometrischen Wertigkeit z des reagierenden Stoffes multipliziert. Eine Schwefelsäure mit c = 0,5 mol/L hat bei z = 2 zum Beispiel die Normalität 1,0. DIN-gerecht kann man entweder H2SO4-Teilchen zugrunde legen, dann ist c = 0,5 mol/L, oder Äquivalent-Teilchen 1/2(H2SO4), dann ist c = 1 mol/L.

Umrechnung von Gehaltsangaben

Für die Umrechnung verschiedener Gehaltsangaben benötigt man vor allem drei Größen.

Die molare Masse ist M = m / n. Sie verbindet Masse und Stoffmenge.

Die Dichte ist ρ = m / V. Sie verbindet Masse und Volumen.

Das molare Volumen ist Vm = V / n. Es verbindet Volumen und Stoffmenge.

Mit diesen Größen lassen sich Angaben, die Masse, Volumen oder Stoffmenge verwenden, ineinander umrechnen, sofern die nötigen Stoffdaten bekannt sind.