Homogenität
Homogenität (von
homόs „gleich“ und
genesis „Erzeugung, Geburt“, also etwa: gleiche Beschaffenheit) bezeichnet die Gleichheit einer Eigenschaft, über die gesamte Ausdehnung eines Systems oder auch die Gleichartigkeit von Elementen eines Systems. Der Begriff besitzt einen weiten Anwendungsbereich und kann im Einzelnen unterschiedliche Bedeutungen enthalten. Eine Maßnahme oder Methode, mit der ein Material oder System homogen wird oder mit dem, die Homogenität gesteigert wird, heißt Homogenisierung.
Gegenstand von Homogenität
Eigenschaften, die über eine Fläche, oder über einen Raum hinweg als homogen bezeichnet werden können, können durch ungerichtete Werte, wie z. B. bei der Dichte eines Stoffes innerhalb eines Gemisches, oder durch Vektoren, also gerichtete Werte, wie im Beispiel der Feldstärke in elektrischen, oder magnetischen Feldern bestimmt sein. Ob für eine Fläche, bzw. für einen Raum die Eigenschaft als homogen bezeichnet werden kann, hängt dabei von der Festlegung etwaiger Grenzen ab. So kann ein elektrisches Feld als homogen bezeichnet werden, wo die Feldlinien innerhalb eines Plattenkondensators parallel verlaufen. Auch das magnetische Feld im Inneren einer relativ langen Zylinderspule ist homogen.[1] Homogene Felder zeichnen sich durch gerade, parallele und gleichmäßig verteilte Feldlinien aus. Solche Felder werden jedoch nur dann als homogen bezeichnet, wenn die Feldstärke an jedem Ort gleich ist.
Schließlich spricht man in der theoretischen Physik von der Homogenität des Raums, wenn man ausdrücken möchte, dass physikalische Gesetze invariant gegenüber der Translation sind. Daraus folgt nach dem Noether-Theorem, dass der Impuls eine Erhaltungsgröße ist.
Gegensätze zur Homogenität
Was nicht homogen ist, ist inhomogen. Inhomogene Systeme können heterogen (zu
) genannt werden, wenn Teile des Systems klar voneinander abgegrenzt werden können. Heterogene Gemische werden als dispers (zu
) bezeichnet. Hier sind Partikel einer Substanz in einer anderen Substanz „zerstreut“.
Elektrische Felder werden homogen, inhomogen (bei nicht parallelen Feldlinien), oder radial genannt.[1] Während Dipole von inhomogenen Feldern ausgerichtet und angezogen werden, üben homogene Felder auf Dipole zwar ausrichtende Momente, aber keine anziehenden Kräfte aus.
Abhängigkeit vom Größenmaßstab
| Homogenität der Stoffe | |||
|---|---|---|---|
| |||
| ← homogen | heterogen → | ||
Atomar betrachtet ist Materie grundsätzlich nicht homogen, da die Bausteine der Materie keine gleichmäßige Raumfüllung aufweisen. Schon im Atom selbst ist die Masse- und Ladungsverteilung nicht homogen, da sie sich ungleich auf den Atomkern und die Atomhülle verteilt.
In der Chemie werden Reinstoffe dessen ungeachtet als homogen bezeichnet. Lösungen sind molekular disperse Gemische. Für sie gilt das ebenfalls. Die Partikel der inneren Phase haben hier eine Größe von weniger als einem Nanometer. Grobdisperse Systeme sind heterogen. Ihre Partikelgröße beträgt mehr als einen Mikrometer. Kolloide (Partikelgröße: 1 nm bis 1 µm) stellen einen Übergang dazwischen dar.[2]
Ein Beispiel für Materie, die auf mikroskopischer Ebene heterogen ist, makroskopisch betrachtet dagegen homogen erscheint, ist Milch. Dabei handelt es sich um ein grobdisperses System, bei dem Milchfett als „disperse Phase“ ungelöst in einer wässerigen Lösung als „Dispersionsmedium“ enthalten ist. Bei einer für Rohmilch typischen Partikelgröße von 10 bis 30 µm kommt es dabei zu einer partiellen Entmischung, bei der sich oben Rahm, ein Gemisch mit einer deutlich höheren Konzentration an Fettpartikeln absetzt. Erst durch technische Verfahren entsteht mit Butter ein System, bei dem innere und äußere Phase vertauscht sind, also Wasser als ungelöste innere Phase im Fett enthalten ist. Um eine Entmischung zu verhindern, wird Milch homogenisiert. Dabei wird die Partikelgröße auf 1–2 µm reduziert. Die Milch ist folglich auch dann noch als „grobdispers“ anzusehen.
Eine Grenze dieser Festlegungen wird schließlich z. B. bei Uranhexafluorid erkennbar. Dieses ist zunächst ein Reinstoff und also homogen. Bei genauerer Betrachtung kann es jedoch als Lösung von Verbindungen mit unterschiedlichen Isotopen angesehen werden, die unter hohem Aufwand mit Kaskaden von Gaszentrifugen an-, bzw. abgereichert werden können.
Bedeutung homogener Stoffe
Die Gewinnung hinreichend homogener Ausgangsmaterialien oder Zwischenprodukte für die Industrie, wie bei der Herstellung der diversen Halbleiterkomponenten der modernen Elektronik- und Computerindustrie, gehört zu den Schlüsselproblemen der wissenschaftlich-technischen Entwicklung. Sie erfordert (vor allem bei der Gewinnung von Reinststoffen und/oder der Verringerung ihrer Fehlertoleranzen) oft hohen Aufwand.
Folgen der chemischen Homogenität
Homogene Materie hat überall die gleiche Dichte und Zusammensetzung. Wenn in einem großen Behälter mit einem homogenen Stoff, z. B. mit einem Gas, an einer Stelle eine Teilmenge V1 betrachtet wird, so enthält diese dieselbe Stoffmenge wie eine Teilmenge mit demselben Volumen V1 an anderer Stelle. Teilt man die gesamte Stoffmenge auf zwei gleich große Volumina auf, so enthalten sie die jeweils gleich große Stoffmenge (in diesem Fall jeweils die Hälfte der ursprünglichen). Daraus folgt:
Die Stoffmenge ist für homogene Substanzen bei gleich bleibendem Druck und gleich bleibender Temperatur proportional zum Volumen, oder umgekehrt:
Das Volumen V homogener Substanzen ist bei gleich bleibendem Druck p und gleich bleibender Temperatur T proportional zur Stoffmenge n.
Für T = const und p = const gilt also:
- .
Diese Gesetze gelten für alle homogenen Stoffe, solange Temperatur und Druck unverändert bleiben, einschließlich für ideale Gase, für die die thermische Zustandsgleichung idealer Gase gilt. Der Quotient Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \tfrac{V}{n} = V_m } heißt Molvolumen, der Quotient Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \tfrac{n}{V} = c } ist die Konzentration. Die genannten Beziehungen sind auch die Grundlage der Volumetrie.
Für homogene Substanzen gelten auch die Beziehungen
- Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle V \sim m \qquad \frac{m}{V} = \rho} .
Literatur
- Brockhaus Enzyklopädie. 19. Auflage, Mannheim 1988.
Weblinks
Einzelnachweise
- ↑ a b Horst Kuchling: Taschenbuch Physik. 13. Auflage. Fachbuchverlag GmbH, Leipzig 1991, ISBN 3-343-00759-5, S. 410, 426.
- ↑ Karl-Heinz Näser, Dieter Lempe, Otfried Regen: Physikalische Chemie für Techniker und Ingenieure. Stark überarbeitete Auflage. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1988, ISBN 3-342-00277-8, S. 91.
homogen.svg){kind=link}
