Woche 2 — Wägen und Flüssigkeitsmessung

Einleitung

In dieser Woche werden Sie die grundlegenden Techniken des Wagens und der Volumenmessung kennenlernen. Dabei werden Sie ein fundiertes Verständnis für diese wichtigen Verfahren erlangen und deren korrekte Anwendung üben.

Lernziele

Sie verstehen die physikalischen Grössen Masse, Volumen und Dichte und erklären deren Bedeutung sowie Einheiten im Labor.
Sie unterscheiden verschiedene Waagentypen und Volumenmessgeräte, erläutern deren Anwendungsbereiche und verwenden zentrale Begriffe korrekt.
Sie führen Wägungen und Volumenmessungen sachgerecht und präzise durch, einschliesslich Nivellierung der Waage, Ablesen des Meniskus und Einsatz geeigneten Zubehörs (z. B. Waageschale, Spatel, Messzylinder).
Sie analysieren Einflussfaktoren auf die Genauigkeit von Messvorgängen – etwa Temperatur, Feuchtigkeit oder Stoffeigenschaften (z. B. hygroskopisch, volatil) – und bewerten deren Wirkung auf die Messergebnisse.
Sie wenden grundlegende Techniken an, um feste und flüssige Stoffe in vorgegebenen Mengen sicher und korrekt zu dosieren.

Wägen

Zum quantitativen Arbeiten im Labor gehört das präzise Abmessen von Massen. Das Bestimmen der Masse einer Substanz bezeichnet man allgemein als Wägung, den Vorgang selbst auch als Abwiegen. Die verbindliche SI-Einheit der Masse ist das Kilogramm (kg).

$Diese menschliche Krebszelle ([HeLa Zelle](https://de.wikipedia.org/wiki/HeLa-Zellen)) wiegt etwa 1 Nanogramm ($10^{-9}\text{g}$)$

Diese menschliche Krebszelle (HeLa Zelle) wiegt etwa 1 Nanogramm (

10^{-9}\text{g}

)

Anne Weston, Francis Crick Institue. Quelle: Wellcome Collection

$ca. 8µg Vitamin D und 3µg Vitamin B12 sind in 100g Lachs enthalten ($1\text{µg}=10^{-9} \text{g}$)$

ca. 8µg Vitamin D und 3µg Vitamin B12 sind in 100g Lachs enthalten (

1\text{µg}=10^{-9} \text{g}

)

400mg Ibuprofen sind in dieser Tablette enthalten

Für einen Liter isotonische Kochsalzlösung werden 9g NaCl benötigt

Definition

Kilogramm (kg) ist die SI-Basiseinheit der Masse.

Wie ist ein Kilogramm definiert?

Das internationale Ur-Kilogramm in Paris: «le Grand K»

CC BY-SA, Quelle: Wikimedia Commons

Früher war das Kilogramm als die Masse eines bestimmten Platin-Iridium-Blocks in Paris definiert. Seit 2019 basiert die Definition des Kilogramms auf der Planckschen Konstante (h), einem fundamentalen physikalischen Wert.

Eine kurze Geschichte der Gewichtseinheiten finden Sie in diesem Video:

In den Life Sciences wird die Masse von Substanzen in verschiedenen Einheiten angegeben, abhängig von der Grösse der zu messenden Menge. Die gebräuchlichsten Einheiten sind:

Einheit	Symbol	Verhältnis zu 1 kg
Nanogramm	ng	1 kg = 1 × 10¹² ng
Mikrogramm	µg	1 kg = 1 × 10⁹ µg
Milligramm	mg	1 kg = 1 × 10⁶ mg
Gramm	g	1 kg = 1 × 10³ g
Kilogramm	kg	Referenzeinheit

tipp

Was sind 3 µg in Kilogramm? Probieren Sie es mit diesem Rechner aus

Interaktiver Einheiten-Umrechner

Einheit	Bezeichnung	Wert
ng	Nanogramm	—
µg	Mikrogramm	—
mg	Milligramm	—
g	Gramm	—
kg	Kilogramm	—

Wägung und Masseeinheiten

Welche der folgenden Aussagen zur Masse und ihrer Messung sind korrekt?

Auswahl der geeigneten Waage

Bei der Auswahl der Waage sind der Wägebereich, die Genauigkeit der Waage sowie die Menge des Wägeguts zu beachten. Die vorgegebene Mindesteinwaage der Waage muss dabei eingehalten werden.

Zu den Laborwaagen zählen Präzisionswaagen, Analysenwaagen und Mikrowaagen:

Präzisionswaage

Präzisionswaagen bieten eine Ablesbarkeit von bis zu 0.01 g.
Diese Waagen werden in einer Vielzahl von Anwendungen im Labor und in der Produktion eingesetzt.

Mindesteinwaage ca. 100 mg

Analysenwaage

Analysenwaagen bieten eine Ablesbarkeit von bis zu 0.01 mg.
Sie sind ideal für Anwendungen in pharmazeutischen Laboratorien und Forschungseinrichtungen.

Mindesteinwaage ca 10-30 mg

Mikrowaage

Mikrowaagen bieten eine Ablesbarkeit von bis zu 1 μg.
Sie sind ideal für Aufgaben wie die Partikelgrössenanalyse oder fortgeschrittene Forschung in der Pharmazie und Nanotechnologie.

Mindesteinwaage 1-3 mg

Wägehilfen

Alle Arten von Waagen, die im Labor verwendet werden, sind teuer und empfindlich. Daher gibt man die abzuwägende Substanz niemals direkt auf die Waagschale, sondern verwendet grundsätzlich eine Wägehilfe:

Feststoffe (Pulversubstanzen) werden mithilfe von Wägepapier und/oder einem Wägeschiffchen abgewogen.
Flüssigkeiten werden direkt in ein Laborgefäss (z. B. Becherglas, Messkolben etc.) eingewogen.
Flüchtige oder hygroskopische Substanzen werden direkt in Laborgefässe eingewogen, in denen sie anschliessend weiterverarbeitet werden. Alternativ kann eine Einwegspritze verwendet werden, die z. B. hygroskopische Substanzen vor Feuchtigkeit aus der Umgebung schützt.
Feste Stoffe werden mit einem Spatel oder Mikrospatel in das gewählte Wägehilfsmittel überführt. Flüssige Substanzen werden mit Pipetten dosiert.

Wägehilfen für hygroskopische Feststoffe

Wie wird ein hygroskopischer Feststoff wie z. B. Natriumhydroxid (NaOH) korrekt abgewogen?

Richtlinien für korrektes Wiegen

Es sollte immer eine geeignete Waage und ein passendes Wägehilfsmittel verwendet werden, das für die zu wiegende Menge und die Genauigkeitsanforderungen geeignet ist.
Chemikalien dürfen niemals direkt auf den Waagenteller gegeben werden, um eine Verschmutzung der Waage zu vermeiden und die vollständige Übertragung der abgewogenen Substanz in ein Gefäss zu gewährleisten.
Vor dem Wiegen einer Chemikalie muss eine Risikobewertung durchgeführt werden.
Alle potenziellen Gefahren (z. B. Freisetzung von Staub, Dämpfen oder Gasen) und deren Kontrollmassnahmen müssen bekannt sein.
Es wird die geeignete PSA (Persönliche Schutzausrüstung) entsprechend der Risikobewertung verwendet.
Dazu gehören immer Schutzbrille, Handschuhe und Labormantel.
Die Waage wird – wenn notwendig – nivelliert (die Luftblase der Libelle muss im inneren Kreis liegen).
Anschliessend wird das Instrument mit dem ausgewählten Wägehilfsmittel tariert (z. B. Wägepapier oder Laborglasgefäss).
Mit Hilfe eines Spatels wird die gewünschte Masse schrittweise hinzugegeben.
Sobald die gewünschte Masse abgewogen ist, wird das Wägegut sofort in das bereits beschriftete Laborglas umgefüllt und weiterbearbeitet.
(Pulver und Flüssigkeiten werden ggf. mit einem Trichter umgefüllt)
Nach der Wägung wird die Waage gründlich gereinigt.
Alle verwendeten Hilfsmittel werden gewaschen bzw. fachgerecht entsorgt.

Faktoren, die die Genauigkeit der Waage beeinflussen

Physikalische Einflüsse

Temperaturdifferenzen

Temperaturunterschiede zwischen Wiegegefäss und Umgebung erzeugen Luftströme, die den Wägewert verfälschen.
Massnahmen:
– Waage und Gefäss auf Raumtemperatur äquilibrieren
– Wiegegefässe mit einer Pinzette anfassen

Feuchtigkeitsaufnahme/-abgabe

Hygroskopische oder hydrophobe Substanzen verändern ihre Masse durch Wasseraufnahme oder -abgabe.
Massnahmen:
– Trockene Wiegegefässe verwenden
– Enghalsige, verschliessbare Gefässe wählen
– Keine Kork- oder Kartonringe nutzen

Elektrostatische Aufladung

Elektrostatische Effekte entstehen z. B. beim Berühren von Glas mit Handschuhen oder durch das Auspacken aus Plastik.
Massnahme:
– Relative Luftfeuchtigkeit im Raum auf 40–60 % erhöhen

Umgebungseinflüsse

Luftzug

Offene Fenster oder Geräte erzeugen Luftbewegungen, die zu Masseabweichungen führen.
Massnahmen:
– Waage windgeschützt aufstellen
– Windschutz (z. B. Glastür) verwenden

Vibration

Erschütterungen werden von der Waage als Massenänderung erfasst.

Massnahme:
– Fester, vibrationsarmer Standort, z. B. schwere Tischplatte aus Stein

Magnetische Felder

Ferromagnetische Materialien (z. B. Eisen, Nickel, Kobalt) stören das Magnetfeld der Waage.
Massnahme:
– Nichtmagnetische Probenhalter verwenden

Raumklima

Hohe Luftfeuchtigkeit erzeugt Kondensation; trockene Luft kann Proben austrocknen.
Massnahme:
– Raumtemperatur und Luftfeuchtigkeit stabil halten (ca. 45–60 %)

Licht

Sonnenlicht oder Lampen erzeugen Wärme und Luftströmungen, die die Messung stören.
Massnahme:
– Waage von direkten Lichtquellen fernhalten

Einflussfaktoren auf die Wägegenauigkeit

Ordne die Faktoren korrekt den Kategorien „Physikalische Einflüsse“ und „Umgebungseinflüsse“ zu. Einige Begriffe gehören zu keiner Kategorie.

Physikalische Einflüsse

Umgebungseinflüsse

Temperaturdifferenzen

Feuchtigkeitsaufnahme/-abgabe

Elektrostatische Aufladung

Vibration

Raumklima

Licht

Kalibrierintervall

Benutzerfehler

Probenfarbe

Waage nivellieren

Nivellieren einer Waage

Damit die Wägeergebnisse jederzeit reproduzierbar sind, muss die Waage exakt waagerecht ausgerichtet werden. Leichte Unebenheiten am Aufstellungsort können durch Nivellierung der Waage ausgeglichen werden. Zum Nivellieren ist an der Waage ein konvexes Schauglas angebracht, in dem sich eine Blase in einer Flüssigkeit befindet (Libelle). An den höhenverstellbaren Füssen der Waage wird diese so justiert, dass sich die Blase im auf dem Glas eingezeichneten Kreis befindet.

Tipps und Tricks, um eine Waage richtig zu bedienen

Waage korrekt aufstellen
- Vermeide Standorte in der Nähe von Fenstern, Lüftungen oder Heizungen, da Luftzug und Temperaturänderungen das Ergebnis beeinflussen können.
- Lasse die Waage nach dem Einschalten (Standby-Modus) ggf. einige Minuten aufwärmen, besonders bei Analysenwaagen.
Kalibrierung und Justierung
- Prüfe vor jedem Gebrauch, ob die Waage nullt (Anzeige zeigt 0,000 g).
- Einige Waagen benötigen eine manuelle Justierung über eine Libelle und Stellfüße – achte auf die Wasserwaage!
Richtig tarieren
- Verwende ein sauberes, trockenes Wägegefäß (z. B. Wägeboot, Becher, Uhrglas).
- Tarieren (nullstellen) immer nach dem Aufstellen des Gefäßes, bevor du die Substanz einfüllst.
- Fülle die Substanz vorsichtig und gleichmäßig ein, damit keine Spritzer oder Luftzüge das Ergebnis verfälschen.
Sauberes und vorsichtiges Arbeiten
- Berühre Gewichte und Gefäße nicht mit bloßen Händen – Hautfett und Wärme beeinflussen das Ergebnis. Verwende Pinzetten oder Handschuhe.
- Kein Wägen heißer Substanzen – aufsteigende Luft und Verdunstung führen zu fehlerhaften Werten.
- Berücksichtige die physikalischen Eigenschaften des Wägeguts, um Verdunstung oder Feuchtigkeitsaufnahme während des Wiegens zu verhindern.
Wiege möglichst in der Mitte
- Positioniere das Wägegut zentriert auf der Wägeplatte.
- Asymmetrische Belastung kann bei empfindlichen Waagen zu Abweichungen führen.
Umwelteinflüsse minimieren
- Kein Luftzug, keine starken Lichtquellen oder elektromagnetischen Felder in der Nähe.
- Wägekammer bei Analysenwaagen geschlossen halten, um Verfälschungen durch Luftbewegungen zu vermeiden.
Nachbereitung
- Nach dem Wiegen entferne alle Rückstände oder verschüttete Substanzen sofort.
- Stelle sicher, dass nichts auf der Waage liegen bleibt, bevor du sie ausschaltest.
- Lasse sie ggf. in der Grundstellung (0 g) stehen.

Quiz 1 — Wägen

Frage 1

Was versteht man unter Tara?

Frage 2

Welche Einheit ist die SI-Basiseinheit für die Masse?

Frage 3

Welcher Faktor kann zu Abweichungen bei der Wägung führen, wenn das Wiegegefäss und die Umgebung unterschiedliche Temperaturen haben?

Frage 4

Welche Waage wird in der Regel für Massen im Mikrogrammbereich verwendet?

Frage 5

Wie nennt man die kleinste ablesbare Gewichtswertänderung einer Waage?

Frage 6

Welche Maßnahme hilft gegen elektrostatische Aufladung bei der Wägung?

Frage 7

Warum werden Analysenwaagen oft mit einem geschlossenen Wägekasten ausgestattet?

Frage 8

Welcher Umgebungsfaktor kann durch eine offene Tür oder ein Fenster entstehen und Messungen beeinflussen?

Frage 9

Wie nennt man die Fähigkeit einer Waage, bei wiederholten Messungen denselben Wert anzuzeigen?

Frage 10

Welche der folgenden Substanzen sollte man möglichst direkt im geschlossenen Behälter wiegen, um Genauigkeitsverluste zu vermeiden?

Flüssigkeitsmessung

Diese Woche werden Sie sich mit den grundlegenden Techniken des Flüssigkeitsmessens beschäftigen. Dabei werden Sie ein fundiertes Verständnis für diese wichtigen Verfahren erlangen und deren korrekte Anwendung üben.

Volumenmessung

Die Messung des Volumens von Flüssigkeiten ist eine Routineaufgabe im Labor und wird in der Regel mit geeichten Messgeräten durchgeführt, die über eine Skala zum Ablesen des Volumens verfügen. Die SI-Einheit des Volumens ist der Liter (l).

Einheit	Bezeichnung	Umrechnung
µl	Mikroliter	1 µl = 1 mm³ = 0.001 ml
ml	Milliliter	1 ml = 1 cm³ = 1000 µl = 0.001 l
dl	Deziliter	1 dl = 100 cm³ = 100 ml = 0.1 l
l	Liter	1 l = 1000 cm³ = 1000 ml = 10⁶ µl

Volumenmessgeräte wie Messkolben, Vollpipetten, Messpipetten, Messzylinder und Büretten gehören daher zur Grundausstattung. Sie können aus Glas oder Kunststoff hergestellt sein.

Achtung

Messbecher, Becher, Erlenmeyerkolben, Tropftrichter usw. sind keine Volumenmessgeräte!
Sie sind nicht exakt justiert; die Skala dient nur als Orientierungshilfe.

Laborgeräte zur Volumenmessung

Die typischen Geräte zur genauen Messung von Flüssigkeitsvolumen sind Messzylinder, Messkolben, Pipetten und Büretten. Die Genauigkeit des Gerätes hängt von dem Ablesedurchmesser ab (je kleiner die Ablesedurchmesser ist, desto exakte lässt sich ein bestimmtes Volumen an den Skalen ablesen.

Es gibt grundsätzlich zwei unterschiedliche Arten von Volumenmessgefässen:

«In» Kennzeichnung: die auf Einlauf geeicht sind. Die aufgenommene Flüssigkeitsmenge entsprich der aufgedruckten Volumenangaben. Das Volumen lässt sich allerdings nicht ganz genau entnehmen. Dazu gehören Messkolben und Messzylinder.

«Ex» Kennzeichnung: die auf Auslauf geeicht sind. Die abgegebene Flüssigkeitsmenge entspricht der aufgedruckten Volumenangaben. Die im Gerät verbleibende Flüssigkeitsreste sollten nicht berücksichtigt werden. Dazu gehören Pipetten und Büretten

Flüssigkeiten mit Messzylinder abmessen

Messzylinder sind in der Regel auf ‘In’ justierte Messgeräte, d.h. sie zeigen exakt das aufgenommene Volumen an.

Hinweis

Im Labor wird der Messzylinder häufig wie ein auf ‘Ex’ justiertes Messgerät eingesetzt. Messungen mit Wasser ergaben, dass das abgegebene Volumen infolge des Benetzungsrückstandes annähernd um den Betrag der Fehlergrenze des Messzylinders reduziert ist.

Voraussetzung:

Die Flüssigkeit wird langsam in einem Zug abgegeben und zum Nachlaufen der Flüssigkeit wird der Zylinder noch 30 s lang geneigt gehalten.

Beim Ablesen von Flüssigkeiten im Messzylinder sind die folgenden Schritte zu beachten

Stellen Sie den Zylinder auf eine ebene Fläche: Achten Sie darauf, dass der Messzylinder auf einer waagerechten Oberfläche steht, um eine genaue Ablesung zu gewährleisten.

Messzylinder gerade

Augenhöhe: Bringen Sie Ihre Augen auf Höhe der Flüssigkeit im Zylinder. So können Sie die Messung präziser ablesen (Parallaxefehler vermeiden)

Meniskus lesen

Parallaxefehler

Der Begriff Parallax stammt aus dem Griechischen „Parallaxis“ und bedeutet „Veränderung“. Er beschreibt die scheinbare Verschiebung eines Objekts, die auftritt, wenn es aus unterschiedlichen Blickwinkeln betrachtet wird. Ein Parallaxefehler beim Ablesen von Flüssigkeitsvolumen tritt auf, wenn die Skala nicht genau senkrecht oder auf Augenhöhe betrachtet wird.

Lesen Sie den Meniskus ab: Die Flüssigkeit bildet eine Krümmung, den sogenannten Meniskus. Bei den meisten Flüssigkeiten wird die Messung am unteren Rand des Meniskus abgelesen.

Je nach Flüssigkeit kann die Oberfläche entweder nach unten gewölbt sein (konkaver Meniskus: z.B: Wasser) oder wie unter nach oben (konvexer Meniskus- zB.: Quick Silber).

Meniskusform

Zum exakten Ablesen muss bei einem konkaven (unten gewölbt) Meniskus der tiefste Punkt den Teilstrich berühren. Bei einem konvexen (oben gewölbt) Meniskus, genau umgekehrt, muss der höchste Punkt den Teilstrich berühren. Zusätzlich ist darauf zu achten, dass auf Augenhöhe abgelesen wird, um einen Parallaxenfehler zu vermeiden, der zu erheblichen Ungenauigkeiten führen kann.

Volumenkontraktion

Dieser Begriff bezieht sich auf die Verringerung des Gesamtvolumens beim Mischen zweier Flüssigkeiten. Obwohl man erwarten würde, dass sich die Volumina einfach addieren, ist dies nicht immer der Fall: Zwischen den Molekülen entstehen neue Wechselwirkungen, die zu einer dichteren Packung führen können. Infolgedessen ist das Volumen der Mischung geringer als die Summe der einzelnen Volumina.

Volumenkontraktion

Rechenweg: Volumenkontraktion bei Wasser + Ethanol (50 % v/v, 20 °C)

Annahmen:

Dichte Wasser: $\rho(\mathrm{H_2O}) \approx 0.9982 \,\mathrm{\tfrac{g}{mL}}$
Dichte Ethanol: $\rho(\mathrm{EtOH}) \approx 0.7893 \,\mathrm{\tfrac{g}{mL}}$
Eingesetzte Volumina (v/v):
- $V(\mathrm{H_2O}) = 100 \,\mathrm{mL}$
- $V(\mathrm{EtOH}) = 100 \,\mathrm{mL}$
Mischdichte für 50 % v/v: $\rho(\mathrm{Mix}) \approx 0.914 \,\mathrm{\tfrac{g}{mL}}$

1) Massen der eingesetzten Flüssigkeiten:

$m(\mathrm{H_2O}) = 0.9982 \cdot 100 = \mathbf{99.82 \,\mathrm{g}}$
$m(\mathrm{EtOH}) = 0.7893 \cdot 100 = \mathbf{78.93 \,\mathrm{g}}$
$m_\text{ges} = 99.82 + 78.93 = \mathbf{178.75 \,\mathrm{g}}$

2) Endvolumen aus der Mischdichte (v/v):

$V_\text{End} = \dfrac{m_\text{ges}}{\rho(\mathrm{Mix})} = \dfrac{178.75}{0.914} \approx \mathbf{195.6 \,\mathrm{mL}}$

3) Volumenkontraktion:

$\Delta V = 195.6 - 200 = \mathbf{-4.4 \,\mathrm{mL}}$
Prozentuale Kontraktion: $\dfrac{4.4}{200}\cdot 100\,\% \approx \mathbf{2.2 \,\%}$

Ergebnis:
100 mL Wasser + 100 mL Ethanol (v/v) ergeben bei 20 °C etwa 195.6 mL Lösung.
Die Kontraktion beträgt ca. 4.4 mL (2.2 %).

Faktoren, die die Genauigkeit der Flüssigkeit Messung beeinflussen

Die Genauigkeit der Flüssigkeitsmessung kann durch mehrere Faktoren beeinflusst werden.

Darunter zählen:

Faktor	Einfluss auf die Genauigkeit
Temperatur	Schwankungen können das Messverhalten von Flüssigkeiten und Instrumenten verändern.
Luftfeuchtigkeit	Hohe oder stark schwankende Luftfeuchtigkeit kann zu Messfehlern führen.
Druckänderungen	Änderungen im Umgebungsdruck können das Volumen von Flüssigkeiten und Gasen beeinflussen.
Flüssigkeitseigenschaften	Eigenschaften wie Dichte, Viskosität oder Leitfähigkeit wirken sich auf die Messung aus.
Viskosität	Flüssigkeiten mit hoher Viskosität fliessen langsamer, was zu unvollständiger Aufnahme, Restflüssigkeit in der Pipettenspitze und Luftblasenbildung führen kann.
Qualität des Instruments	Wartung, Kalibrierung, Ablagerungen, Alterung, Einbauort (Vibrationen, Druckstösse) und Messbereich (z. B. kleine Volumen mit großen Geräten) beeinflussen die Genauigkeit.
Handhabung	Falsche Bedienung oder ungenaue Ablesung kann die Messergebnisse verfälschen.

Tipps und Tricks, um Flüssigkeiten wichtig abzumessen

Gerät	Tipp / Trick	Hinweis
Allgemein	Sauberes Gerät verwenden	Vor der Messung spülen und trocknen, keine Restflüssigkeit im Gefäß
	Richtige Größe wählen	Volumen möglichst nahe am Messbereich des Geräts wählen
	Blasen vermeiden	Flüssigkeit langsam einfüllen, bei viskosen Flüssigkeiten ggf. Vorbenetzen
	Temperatur beachten	Messkolben meist für 20 °C kalibriert, Flüssigkeitstemperatur beeinflusst Volumen
	Parallaxefehler vermeiden	Auf Augenhöhe ablesen, Unterkante des Meniskus als Messpunkt
Messzylinder	Langsam einfüllen	Tropfenweise an der Zielmarke, Blasen vermeiden
	Waagerecht aufstellen	Meniskus genau ablesen
Messkolben	Lösung vorbereiten	Zuerst im Becherglas lösen, dann quantitativ in Messkolben überführen
	Volumenlinie beachten	Langsam bis zur Markierung füllen, Meniskus auf Augenhöhe prüfen
	Gut mischen	Nach dem Füllen leicht schwenken für homogene Lösung