Massenanteil (Massenprozent)

Der Massenanteil w ist der Quotient aus der Masse des gelösten Stoffes und der Gesamtmasse der Lösung: w = m_Stoff/m_Lösung. Die Gesamtmasse ist die Summe aus gelöstem Stoff und Lösungsmittel. Multiplizierst du w mit 100, erhältst du die Massenprozent. Beispiel: Löst du 30 g Kochsalz in 270 g Wasser, ist die Gesamtmasse 300 g und $w =\frac{ 30}{300} = 0{,}10$, also 10 %. Wichtig ist, im Nenner wirklich die Masse der ganzen Lösung zu verwenden und nicht nur die des Lösungsmittels. Der Massenanteil ist dimensionslos und temperaturunabhängig, weil sich Massen beim Erwärmen nicht ändern. Das macht ihn zu einer sehr robusten Gehaltsgröße für Rezepturen und Etiketten.

Der Massenanteil w vergleicht Massen: die Masse des gelösten Stoffes zur Gesamtmasse der Lösung, angegeben dimensionslos oder in Prozent. Die Stoffmengenkonzentration c vergleicht dagegen die Stoffmenge in Mol mit dem Volumen der Lösung, angegeben in $\frac{mol}{L}$. Der zentrale Unterschied ist der Bezug: w ist massenbezogen und temperaturunabhängig, c ist volumenbezogen und ändert sich mit der Temperatur, weil sich Volumina ausdehnen. Umrechnen kann man über die Dichte ρ und die molare Masse M mit der Beziehung $c =\frac{ w\cdot{}\rho{}}{M}$. In der Praxis nutzt man den Massenanteil oft bei Feststoffen und Handelsprodukten, die Stoffmengenkonzentration dagegen bei Reaktionen und in der Maßanalyse, wo es auf Teilchenverhältnisse ankommt.

Für die Umrechnung brauchst du zwei zusätzliche Größen: die Dichte ρ der Lösung und die molare Masse M des gelösten Stoffes. Es gilt $c =\frac{ w\cdot{}\rho{}}{M}$. Der Gedanke dahinter: Der Massenanteil w mal der Dichte ergibt die Masse des Stoffes pro Liter Lösung, und diese geteilt durch die molare Masse liefert die Stoffmenge pro Liter. Beispiel: Eine Schwefelsäure mit $w = 0{,}10$, Dichte $\rho{} =\frac{ 1066 g}{L}$ und $M =\frac{ 98 g}{mol}$ hat $c =\frac{ 0{,}10\cdot{}1066}{98} \approx{}\frac{ 1{,}09 mol}{L}$. Achte auf konsistente Einheiten, insbesondere die Dichte in $\frac{g}{L}$. Ohne die Dichte ist die Umrechnung nicht möglich, weil der Massenanteil keine Information über das Volumen enthält.

Die Angabe 0,9 % bezeichnet den Massenanteil und bedeutet, dass in 100 g Lösung 0,9 g Kochsalz enthalten sind, der Rest ist Wasser. In einem Liter dieser Lösung, der wegen der geringen Konzentration näherungsweise 1000 g wiegt, sind also etwa 9 g Natriumchlorid gelöst. Diese Konzentration heißt physiologische oder isotonische Kochsalzlösung, weil sie denselben osmotischen Druck wie das Blutplasma hat. Deshalb kann man sie als Infusion geben, ohne dass rote Blutkörperchen aufquellen oder schrumpfen. Rechnet man in $\frac{mol}{L}$ um, ergibt sich mit $M =\frac{ 58{,}44 g}{mol}$ eine Konzentration von etwa $\frac{0{,}154 mol}{L}$. Die scheinbar kleine Prozentzahl hat also eine genau abgestimmte medizinische Bedeutung.

Massenprozent (Ma-%) beziehen sich auf Massen, Volumenprozent (Vol-%) auf Volumina. Der Massenanteil w = m_Stoff/m_Lösung ist dimensionslos und temperaturunabhängig. Der Volumenanteil φ = V_Stoff/V_Lösung dagegen wird bei Mischungen verwendet, deren Komponenten flüssig sind, etwa bei Alkohol in Getränken. Ein wichtiger Punkt: Volumina addieren sich beim Mischen nicht immer exakt, weshalb der Bezug beim Volumenanteil sorgfältig definiert werden muss. Beide Größen können deutlich voneinander abweichen, wenn die Dichten der Komponenten verschieden sind. So sind 40 Vol-% Ethanol nicht dasselbe wie 40 Ma-%, weil Ethanol eine geringere Dichte als Wasser hat. Man muss beim Rechnen also immer wissen, welche Prozentangabe gemeint ist, und darf sie nicht gleichsetzen.