Wägen

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

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).

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Hintergrund:Wie ist ein Kilogramm definiert?

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:

Rechnen Sie nun selbst um — den Rechner können Sie anschliessend zur Kontrolle verwenden:

Dichte — die Brücke zwischen Masse und Volumen

Die Dichte $\rho$ verknüpft die beiden Grössen, mit denen Sie diese Woche arbeiten:

Sie wird im Labor meist in g/mL angegeben (SI-Einheit: kg/m³); Wasser hat bei 20 °C eine Dichte von etwa 1 g/mL. Über die Dichte lässt sich eine gewogene Masse in ein Volumen umrechnen und umgekehrt — so wird z. B. das Volumen einer Flüssigkeit oft durch Wägung kontrolliert. Beachten Sie, dass die Dichte temperaturabhängig ist: Volumenmessgeräte sind deshalb in der Regel für 20 °C kalibriert.

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.

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

Waage nivellieren

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
  • Vermeiden Sie Standorte in der Nähe von Fenstern, Lüftungen oder Heizungen, da Luftzug und Temperaturänderungen das Ergebnis beeinflussen können.
  • Lassen Sie die Waage nach dem Einschalten (Standby-Modus) ggf. einige Minuten aufwärmen, besonders bei Analysenwaagen.
• Kalibrierung und Justierung
  • Prüfen Sie vor jedem Gebrauch, ob die Waage nullt (Anzeige zeigt 0,000 g).
  • Einige Waagen benötigen eine manuelle Justierung über eine Libelle und Stellfüsse – achten Sie auf die Wasserwaage!
• Richtig tarieren
  • Verwenden Sie ein sauberes, trockenes Wägegefäss (z. B. Wägeschiffchen, Becher, Uhrglas).
  • Tarieren (nullstellen) Sie immer nach dem Aufstellen des Gefässes, bevor Sie die Substanz einfüllen.
  • Füllen Sie die Substanz vorsichtig und gleichmässig ein, damit keine Spritzer oder Luftzüge das Ergebnis verfälschen.
• Sauberes und vorsichtiges Arbeiten
  • Berühren Sie Gewichte und Gefässe nicht mit blossen Händen – Hautfett und Wärme beeinflussen das Ergebnis. Verwenden Sie Pinzetten oder Handschuhe.
  • Wägen Sie keine heissen Substanzen – aufsteigende Luft und Verdunstung führen zu fehlerhaften Werten.
  • Berücksichtigen Sie die physikalischen Eigenschaften des Wägeguts, um Verdunstung oder Feuchtigkeitsaufnahme während des Wiegens zu verhindern.
• Wägen Sie möglichst in der Mitte
  • Positionieren Sie 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.
  • Halten Sie die Wägekammer bei Analysenwaagen geschlossen, um Verfälschungen durch Luftbewegungen zu vermeiden.
• Nachbereitung
  • Entfernen Sie nach dem Wiegen alle Rückstände oder verschütteten Substanzen sofort.
  • Stellen Sie sicher, dass nichts auf der Waage liegen bleibt, bevor Sie sie ausschalten.
  • Lassen Sie sie ggf. in der Grundstellung (0 g) stehen.

Quiz — Wägen

Zur freiwilligen Vertiefung — diese Fragen zählen nicht zum Lektionsfortschritt: