Stoffeigenschaft

Begriff und Bedeutung

Eine Stoffeigenschaft ist ein charakteristisches und spezifisches Merkmal eines Reinstoffs oder eines Stoffgemischs. Unter Normalbedingungen kann jeder Reinstoff anhand einer einzigartigen Kombination solcher Eigenschaften identifiziert werden. Bei Stoffgemischen überlagern sich Eigenschaften der einzelnen Komponenten oder es entstehen völlig neue Eigenschaften.

Eigenschaften können sinnlich wahrnehmbar sein, etwa Farbe oder Geruch, oder durch Messungen zahlenmäßig bestimmt werden, etwa die Dichte. Eine stoffeigene Größe besteht aus Zahlenwert und Maßeinheit. Intensive Zustandsgrößen, also molare und spezifische Größen, heißen auch Stoffkonstanten oder Materialkonstanten. Extensive Größen sind dagegen die mengen- beziehungsweise massebezogenen Gegenstücke.

Physikalische Eigenschaften

Physikalische Stoffeigenschaften werden experimentell bestimmt, ohne dass sich der untersuchte Stoff dabei chemisch verändert. Messbar sind beispielsweise thermodynamische Eigenschaften wie Aggregatzustand bei einer bestimmten Temperatur, Dichte, Schmelz-, Siede- und Gefrierpunkt, kritische Temperatur, kritischer Druck und kritische Dichte, Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit sowie Verdampfungs- und Schmelzenthalpie.

Mechanische Eigenschaften sind unter anderem Duktilität (Dehnbarkeit und Verformbarkeit), Sprödigkeit, Elastizität, Festigkeit, Härte, Zähigkeit, Viskosität, Oberflächenspannung, Verschleißfestigkeit und Materialermüdung. Zu elektrischen und magnetischen Eigenschaften zählen elektrische Leitfähigkeit beziehungsweise spezifischer Widerstand, Durchschlagspannung, Bandlücke, Hall-Konstante, magnetische Permeabilität und Remanenz.

Optische und akustische Eigenschaften umfassen Farbe sowie Absorptions- und Emissionsspektrum, Lichtbrechung beziehungsweise Brechungsindex, Transparenz, Reflexion, optische Aktivität, Spektrallinien, Schallgeschwindigkeit, Schallabsorption und Schallreflexion.

Chemische und physiologische Eigenschaften

Chemische Stoffeigenschaften werden bei einer chemischen Reaktion bestimmt, zum Beispiel bei einer Reaktion mit einem anderen Stoff, bei Zersetzung oder Umlagerung. Anders als bei physikalischen Untersuchungen wird das Messobjekt dabei verändert.

Zu diesen Eigenschaften gehören Brennbarkeit, Reaktivität gegenüber anderen Stoffen, Korrosionsbeständigkeit gegenüber Wasser, feuchter Luft oder Elektrolytlösungen, Säure- und Laugenbeständigkeit, Löslichkeit, Flammenfärbung und Gefahrstoffeigenschaften. Weitere chemische Größen sind Bildungsenthalpie, Verbrennungsenthalpie, gibbssche freie Bildungsenthalpie, Standardpotential sowie Säurekonstante K_S und Basenkonstante K_B. Bei Elementen zählt auch die Elektronegativität dazu. Ein Beispiel ist Eisen: Seine geringe Korrosionsbeständigkeit gegenüber Luft und Wasser zeigt sich als Rost.

Physiologische Eigenschaften betrachten physikalische und chemische Eigenschaften danach, ob sie wahrnehmbar sind oder wie sie auf die Umgebung wirken. Dazu zählen Geruch, Geschmack, Metabolismus, Resorbierbarkeit sowie Toxizität, Ökotoxizität und ähnliche biologische Wirkungen.

Werkstoffe und technische Nutzung

Ein Werkstoff ist in der Regel ein Stoffgemisch. In ihm werden einzelne Stoffeigenschaften kombiniert, oder es entstehen neue Werkstoffeigenschaften und Werkstoffkennwerte. Diese hängen stark vom Syntheseweg und vom Fertigungsverfahren ab; ihre Untersuchung ist ein zentrales Gebiet der Werkstoffkunde.

Stahl ist beispielsweise viel härter als Eisen und daher für Werkzeuge vieler Art geeignet. Glas wird durch Flussmittel besser schmelzbar und chemisch stabiler; das ist für Gefäße und transparente Fenster von Bedeutung.

Trennung, Reinheit und Identifikation

Stoffgemische lassen sich anhand unterschiedlicher Stoffeigenschaften in ihre Komponenten auftrennen. Bei der Destillation wird ein Flüssigkeitsgemisch über die Siedetemperatur einer Komponente erhitzt. Diese Komponente siedet; der schwerer flüchtige Anteil bleibt zurück. Der Dampf wird anschließend unter die Siede- beziehungsweise Kondensationstemperatur der leichter flüchtigen Komponente abgekühlt und als Destillat oder Kondensat gesammelt.

Bei der fraktionierenden Kristallisation löst man ein Feststoffgemisch in einem geeigneten Lösungsmittel. Durch Abdampfen oder Verdunsten entsteht eine übersättigte Lösung, aus der ein Feststoff bevorzugt auskristallisiert und durch Filtration isoliert werden kann. Ein Eisenpulver-Sand-Gemisch kann mithilfe des Magnetismus von Eisen getrennt werden. Alternativ kann Säure das Eisen anätzen, während Sand ungelöst bleibt und filtriert werden kann.

Zur Reinheits- und Qualitätskontrolle neu hergestellter Präparate untersucht man ihre Eigenschaften; dabei werden unter anderem hoch entwickelte Analysetechniken wie die NMR-Spektroskopie eingesetzt. Zur Identifikation organischer Stoffe in der industriellen Wareneingangskontrolle wird häufig ein Infrarotspektrum (IR-Spektrum) mit dem IR-Referenzspektrum eines Standards verglichen. Identische IR-Spektren, besonders im Fingerprint-Bereich, gelten als sehr guter Identitätsbeweis.

Stoffklassen anhand ihrer Eigenschaften

In der Analytik werden Stoffe einer unbekannten Probe über ihre Eigenschaften identifiziert und klassifiziert. Eigenschaften kennzeichnen auch Stoffgruppen.

Metalle leiten elektrischen Strom und Wärme gut, sind gut verformbar und besitzen rein einen Oberflächenglanz. Feinverteilte Metalle erscheinen jedoch schwarz. Nichtmetalle, etwa Halogene und Kohlenwasserstoffe, leiten elektrischen Strom kaum und sind damit Isolatoren. Im festen Zustand sind sie meist spröde und haben niedrige Siedepunkte. Ausgenommen sind diamant- oder kunststoffartige makromolekulare Stoffe: Sie haben oft hohe Schmelz- und Siedetemperaturen, zersetzen sich aber meist schon bei relativ niedrigen Temperaturen. Beispiele sind Kunststoffe, Proteine, Polysaccharide und DNA.

Salzartige Stoffe besitzen relativ hohe Schmelz- und Siedetemperaturen. Sie leiten elektrischen Strom als Schmelzen oder Lösungen und sind kristallin sowie spröde.