Gemisch

Grundbegriff und Einteilung

Ein Gemisch oder Stoffgemisch ist ein Stoff, der aus mindestens zwei Reinstoffen besteht. Ein Gemisch aus zwei Reinstoffen heißt binäres Gemisch oder binäres System, eines aus drei Reinstoffen ternäres Gemisch oder ternäres System. Seine physikalischen, mechanischen und rheologischen Eigenschaften hängen in der Regel von seiner Zusammensetzung ab. Je größer der Anteil eines Reinstoffs ist, desto ähnlicher sind die Eigenschaften des Gemisches meist denen dieses Reinstoffs.

Grundsätzlich unterscheidet man zwei Gruppen:

• In homogenen Gemischen sind die Reinstoffe auf molekularer Ebene vermischt oder bei homogenen Legierungen gleichförmig in Kristallstrukturen eingebunden. Die Komponenten besitzen an jedem Ort des Gemischvolumens dieselbe Konzentration und sind nicht einzeln erkennbar.

• Heterogene Gemische heißen Dispersionen. Ihre einzelnen Bestandteile beziehungsweise Phasen sind noch unterscheidbar. Thermodynamisch bestehen sie aus gleichzeitig vorhandenen Phasen unterschiedlicher stofflicher Zusammensetzung.

Heterogene Gemische lassen sich nach ihrer Dispersität, also nach der Feinheit der Verteilung, in grobdisperse und feindisperse Gemische unterteilen. Ein kompaktes grobdisperses Gemenge wird im Bergbau beispielsweise Haufwerk genannt. Geologische Konglomerate und Brekzien bestehen aus Gesteinskomponenten, die durch eine feinkörnige Matrix verkittet sind. Inhomogene Legierungen enthalten Kristalle, die je nach Art und Menge der Legierungselemente unterschiedliche Gitterstrukturen haben können. Ihre mechanischen Eigenschaften hängen stark von der Dispersität ab, die hier durch die Korngröße angegeben wird.

Kolloide bilden eine Zwischenform. Bei einer kolloidalen Suspension ist ein Feststoff in sehr kleinen Teilchen, typischerweise im Nanometer-Bereich, in einer Flüssigkeit verteilt. Das Gemisch ist wegen seiner mehreren Phasen heterogen, verhält sich aber annähernd wie eine homogene Lösung. Als Gemenge bezeichnet man häufig auch eine Mischung von Schüttgütern, deren Bestandteile zusätzlich von einem Umweltmedium wie Luft durchsetzt sind, etwa Kraftfuttermischungen.

Typische Gemische und Aggregatzustände

Homogene und auch manche heterogene Gemische können fest, flüssig oder gasförmig sein. Der Aggregatzustand allein zeigt daher nicht, ob ein Gemisch homogen oder heterogen ist.

Feste natürliche Gemische sind beispielsweise Dolomit und Granit. Granit setzt sich aus Quarz, Feldspat, Glimmer und Hornblende zusammen. In Korund können geringe Mengen anderer Stoffe in der Kristallstruktur gelöst sein: Titan- oder Eisenoxid führt zu Saphir, Chromoxid zu Rubin. Bims ist ein grobdisperses Gemisch aus vulkanischen Mineralien und Luft. Auch anderes Vulkangestein besteht aus unterschiedlichen Mineralien.

Bei flüssigen Gemischen sind Lösungen meist homogen. Beispiele sind Sole und Wein. In der Getränkeindustrie heißen Getränkemischungen häufig Verschnitt; für Wein wird im deutschen Sprachgebrauch auch Cuvée verwendet. Blutplasma ist eine wässerige Lösung. Blut enthält darüber hinaus als Kolloid viele Partikel und wird als Suspension angeführt. Milch ist eine Emulsion, bei der Flüssigkeitströpfchen in einer anderen Flüssigkeit verteilt sind. Schaum besteht aus Gasblasen in einer Flüssigkeit.

Das bekannteste gasförmige Gemisch ist Luft. Sie besteht im Wesentlichen aus Stickstoff, Sauerstoff und Argon. „Verbrauchte“ Luft enthält zusätzlich nennenswerte Mengen Kohlendioxid; ab 14 % ist Kohlendioxid giftig.

Weitere Kombinationen der Aggregatzustände sind möglich: Bronze ist eine feste Legierung, Tonminerale sind ein flüssiger Anteil in einem Feststoff, und Schaumstoff enthält Gas in einem Feststoff. Sodawasser ist eine Lösung von Gas in einer Flüssigkeit. Aerosol ist der Oberbegriff für in Gas verteilte feste oder flüssige Bestandteile. Dazu gehören Staub und Rauch, beispielsweise Zigarettenrauch, sowie Dampf und Nebel.

Angabe der Zusammensetzung

Die Zusammensetzung eines Gemisches wird durch den relativen Gehalt seiner einzelnen Komponenten beschrieben. Übliche Größen sind:

• der Massenanteil, also der Anteil der Masse einer Komponente an der Gesamtmasse,

• der Stoffmengenanteil, also der Anteil ihrer Stoffmenge an der gesamten Stoffmenge,

• der Volumenanteil, also der Anteil ihres Volumens am Gesamtvolumen.

Daneben verwendet man volumenbezogene Konzentrationen. Dazu gehören Massenkonzentration, Stoffmengenkonzentration und Volumenkonzentration. Eine weitere Möglichkeit ist die Molalität der vorhandenen Reinstoffe. In bestimmten Anwendungsgebieten wird die Zusammensetzung anhand besonders wichtiger Bestandteile angegeben, beispielsweise als Salinität oder Zuckergehalt.

Thermodynamisches Verhalten

In der physikalischen Chemie unterscheidet man ideale und reale Mischungen. In einer idealen Mischung stimmen die Stoffmengenanteile der Reinstoffe mit ihren thermodynamischen Aktivitäten überein. Die Aktivität ist die thermodynamisch wirksame Konzentration einer Komponente. Deshalb lassen sich die Eigenschaften einer idealen Mischung aus den Stoffmengenanteilen vorhersagen. Bei realen Mischungen unterscheiden sich Stoffmengenanteile und Aktivitäten; eine genaue Vorhersage der Eigenschaften ist nur mithilfe der Aktivitäten möglich.

Gemische können Phasenübergänge durchlaufen. Ihr Phasenverhalten wird in Phasendiagrammen dargestellt. Feste und flüssige Gemische können je nach thermodynamischem Zustand entweder homogen sein oder als heterogene Systeme aus mehreren koexistierenden Phasen vorliegen, die miteinander im thermodynamischen Gleichgewicht stehen. Der Zustand wird durch die Gemischzusammensetzung, den Druck, die Temperatur und das Gemischvolumen bestimmt.

Bei der Entmischung wird ein homogenes Gemisch durch eine Zustandsänderung, beispielsweise eine Änderung von Temperatur oder Druck, in ein heterogenes Gemisch überführt. Es gelangt dabei in einen Bereich seines Zustandsraums mit einer Mischungslücke, in dem keine einheitliche homogene Mischphase besteht. Umgekehrt können koexistierende Phasen durch eine geeignete Zustandsänderung wieder zu einer homogenen Mischphase werden.

Viele homogene Gemische lassen sich außerdem durch Phasenübergänge in einen anderen Aggregatzustand überführen. Dabei wird meist ein Koexistenzgebiet durchlaufen: Eine Phase im ursprünglichen und eine Phase im neu entstehenden Aggregatzustand liegen gleichzeitig vor und unterscheiden sich in ihrer stofflichen Zusammensetzung. Ausnahmen davon sind Azeotrope und Eutektika.

Herstellung, Trennung und rechtliche Begriffe

Das Mischen ist eine Grundoperation der mechanischen Verfahrenstechnik und der chemischen Reaktionstechnik. Gase mischen sich spontan. Bei Flüssigkeiten spielen dagegen Mischbarkeit und Löslichkeit eine erhebliche Rolle. Gemische mit mindestens einer flüssigen Komponente werden häufig durch Rühren hergestellt; hochviskose, also sehr zähflüssige, Komponenten können durch Kneten vermischt werden.

Mit einem Mischvorgang ist thermodynamisch eine Mischungsenthalpie verbunden. Das Mischen kann exotherm sein und Wärme freisetzen oder endotherm sein und Wärme aufnehmen. Bei der Planung und Durchführung muss deshalb gegebenenfalls der Wärmestrom berücksichtigt werden.

Zur Auftrennung eines Gemisches in seine Reinstoffe stehen unterschiedliche technische Trennmethoden zur Verfügung. Häufig gehören sie zur thermischen Verfahrenstechnik. Genannt werden Destillation, Rektifikation, Extraktion, Membrantechnik und Umkehrosmose.

Im Gefahrstoffrecht werden einige Begriffe anders verwendet als in der Chemie. Rechtlich bezeichnet „Stoff“ einen chemischen Reinstoff, also ein Element oder eine Verbindung. In der Chemie ist Stoff dagegen der Oberbegriff für Reinstoffe und Gemische.

In der Europäischen Union war „Zubereitung“ bis 2008 der Oberbegriff für Gemische, Gemenge und Lösungen im Chemikalien- und Gefahrstoffrecht. Nach Einführung des GHS durfte die Bezeichnung noch bis zum 1. Juni 2015 verwendet werden. Seither lautet der entsprechende Begriff auch im Gefahrstoffrecht „Gemisch“. Im EU-Pflanzenschutzrecht und in der Schweizer Chemikalienverordnung wird „Zubereitung“ weiterhin verwendet. Außerdem gibt es Grenzfälle, die rechtlich sowohl als Gegenstände als auch als Gemische gelten.