Dichte

Warum schwimmen die Gondeln auf dem Meer? Wieso steigt ein Heißluftballon auf? Die Antwort gibt die Dichte ρ eines Stoffes. Sie ist eine physikalische Größe, die das Verhältnis von Masse zu Volumen angibt. Die Einheit der Dichte im SI-System ist Kilogramm pro Kubikmeter (kg/m³).
Die Dichte eines Mediums (Festkörper, Flüssigkeiten, Gase) ist von mehreren Faktoren abhängig:
Zuerst von der molaren Masse, die angibt, welche Masse 6,022*10²³ Teilchen (ein Mol) eines Stoffes besitzen. Dann ist die Packungsdichte der Atome entscheidend. Diese hängt bei Feststoffen von der Gitterstruktur, in der sich die Atome anordnen, ab. Durch Ihre unterschiedliche Gitterstruktur ist Diamant z.B. dichter als Graphit, obwohl beide aus reinem Kohlenstoff bestehen.
Der nächste wichtige Faktor für die Dichte ist die Temperatur eines Mediums. Fast alle Stoffe dehnen sich bei einem Temperaturanstieg aus und damit steigt ihr Volumen. Daher nimmt die Dichte mit steigender Temperatur ab. Ausnahmen können beim Kondensieren/Schmelzen vorkommen, wenn im Festkörper die Atome/Moleküle weiter voneinander entfernt sind als im flüssigen Zustand, wie beim Wasser.
Bei hohen Temperaturen werden außerdem alle Stoffe gasförmig und Ihre Dichte sinkt rapide ab. Auch hier gibt es Ausnahmen, nämlich die massereichsten Objekte im Universum, die Sterne. Durch Ihre riesige Masse ist in ihrem Inneren der Druck so hoch, dass selbst die „leichtesten“ Elemente, Wasserstoff und Helium bei Temperaturen von über 1.000.000 Kelvin als „Flüssigkeiten“ vorkommen.
Vor allem bei Gasen spielt also auch der Druck eine große Rolle. Steigt der Druck, steigt auch die Dichte.

Wie bestimmt man nun die Dichte eines Stoffes?
Dazu benutzt man ein altbekanntes Prinzip: Holz schwimmt, oder das Archimedische Prinzip:
Wird ein Körper K vollständig in ein Medium M (flüssig oder gasförmig) eingetaucht, so erfährt er eine Auftriebskraft F. Um die zwei Unbekannten Dichte und Volumen zu bestimmen, sind zwei Messungen erforderlich.
Wird ein beliebiger Körper mit dem Volumen VK vollständig in zwei Flüssigkeiten oder Gase mit den bekannten Dichten ρ1 und ρ2 eingetaucht, so erfährt er die unterschiedlichen, resultierenden Gewichtskräfte FG1 bzw. FG2. Messbar sind die resultierenden Kräfte mittels einer einfachen Waage.
Es ergibt sich die Formel am Bild anbei für die unbekannte Dichte ρK.

Im Grundlagenlabor werden die Dichten von mehreren unbekannten Substanzen bestimmt.