Homogenität

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Dieser Artikel behandelt Homogenität im naturwissenschaftlichen Kontext. Für mathematische Bedeutungen, siehe Homogen (Mathematik).

Homogenität (griech.: homos gleich; genos Art; homogenos: von gleicher Art) bezeichnet die Gleichheit einer Eigenschaft über die gesamte Ausdehnung eines Systems, bzw. die Gleichartigkeit von Objekten, Erscheinungen, Elementen eines Systems.

Schematische Darstellung von homogen und inhomogen

Bei der betrachteten Eigenschaft kann es sich um irgendeine Eigenschaft handeln (mathematisches Attribut, physikalische Eigenschaft, soziale Kenngröße, etc.). Daher besitzt der Begriff der Homogenität einen weit gefächerten Anwendungsbereich und kann konkret unterschiedliche Bedeutungen enthalten, die sich jedoch auf eine Gleichheit irgendeiner Eigenschaft innerhalb eines Systems zurückführen.

In der Physik ist Materie auf atomarer Ebene grundsätzlich nicht homogen, da die Bausteine der Materie keine gleichmäßige Raumfüllung aufweisen. Schon im Atom ist die Masse- und Ladungsverteilung nicht homogen, da sie ungleich auf Atomkern und Atomhülle verteilt wird. Wenn diese Bausteine jedoch gleichmäßig (nicht notwendigerweise mit der Regelmäßigkeit eines Kristallgitters, sondern nur ohne makroskopische Schwankungen) verteilt sind, so erscheint die Materie dennoch homogen.

Ein Beispiel für Materie, die auf mikroskopischer Längenskala heterogen ist, und makroskopisch homogen erscheint ist Milch. Mikroskopisch sind in der Milch Bereiche zu unterscheiden, die Fett enthalten, und solche, die Wasser enthalten. Beide können sich nicht vermischen. Diese einzelnen Bereiche sind jedoch so klein, dass makroskopisch die Verteilung homogen erscheint. In einem solchen Gemisch kann es jedoch vorkommen, dass sich die beiden Anteile separieren. In diesem Fall ist die Milch auch makroskopisch nicht mehr als homogen zu bezeichnen, da dann wasserreiche Bereiche klar von fettreichen Bereichen (Sahne) zu unterscheiden sind. Milch kann man so behandeln, dass diese Separation verhindert wird und so für eine gleichmäßige Verteilung von Fett und Wasser sorgen. Solche Verfahren werden daher auch als Homogenisieren bezeichnet.

[Bearbeiten] Bedeutung homogener Stoffe

Die Gewinnung hinreichend homogener Ausgangsmaterialien und relativ homogener Zwischenprodukte für die industrielle, besonders für die Automatisierung zur Herstellung von kristallinen Bauteilen für Computer, gehört zu den Schlüsselproblemen der wissenschaftlich-technischen Entwicklung, deren Lösung hohen materiellen und ideellen Aufwand erfordert (vor allem bei der Gewinnung von Reinststoffen oder der Verringerung von Fehlertoleranzen).

In der Chemie sind homogene Stoffe entweder homogene Gemische, die man auch Lösungen nennt, zum Beispiel Legierungen, oder Reinstoffe.

[Bearbeiten] 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 eingeschlossen wird, so enthält diese dieselbe Stoffmenge wie eine Teilmenge mit demselben Volumen V₁ an anderer Stelle. Teilt man die gesamte Stoffmenge auf zwei gleichgroße Volumina auf, so enthalten sie die gleiche Stoffmenge, nämlich 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 homogener Substanzen ist bei gleich bleibendem Druck p und gleich bleibender Temperatur T proportional zur Stoffmenge.

Für T = const und p = const gilt also:

$V \sim n \qquad \qquad {V \over n} = \mbox{const} \qquad \qquad {V_1 \over n_1}= {V_2 \over n_2}$ .

Diese Gesetze gelten für alle homogenen Stoffe, solange Temperatur und Druck unverändert bleiben, einschließlich für ideale Gase, für die die Ideale Gasgleichung gilt. Der Quotient ${V \over n} = V_m$ heißt Molvolumen, der Quotient ${n \over V} = c$ ist die Konzentration. Die genannten Beziehungen sind auch die Grundlage der Volumetrie.