Lösungen – Kolligative Eigenschaften

Hallo und ganz herzlich willkommen. In diesem Video geht es um Lösungen, und zwar um deren kolligative Eigenschaften. Zwei Beobachtungen, Am Meer: Vielleicht wart ihr auch einmal im Winter an einem Weltmeer. Man macht hier eine erstaunliche Entdeckung. Bei niedrigen Temperaturen, von etwa minus fünf bis minus zehn Grad Celsius, friert das Meer mehrere Tage nicht zu. Der Wind und die Wasserbewegung allein, können dafür die Ursachen nicht sein. Heiße Suppe: Es ist Mittag und ihr habt mächtigen Hunger. Heute habt ihr euch für eine kräftige Suppe entschieden. Aber Vorsicht, man kann sich leicht die Zunge verbrennen. Seltsamerweise passiert dieses Malheur beim Trinken von Tee viel seltener. Kolligative Eigenschaften: Man verwendet diesen Begriff, wenn folgende Voraussetzungen erfüllt sind: Erstens, es gibt ein Lösungsmittel. Zweitens, in dem Lösungsmittel löst sich ein Stoff. Drittens, der Gefrierpunkt und der Siedepunkt des Lösungsmittels ändern sich. Man spricht nun von kolligativen Eigenschaften von Lösungen. Kolligativ deshalb, weil die Veränderungen von Gefrierpunkt und Siedepunkt des Lösungsmittels nur von der Zahl gelöster Teilchen und nicht von der Art der Teilchen abhängen. Einfache mechanische Erklärung: Erstens, Gefrierpunktserniedrigung. Reines Wasser gefriert bei null Grad Celsius. Löst man nun Salz in Wasser, so entstehen Ionen. Die Ionen werden von den Wasserteilchen solvatisiert. Dadurch werden die Wasserteilchen daran gehindert, sich beim Gefrieren der Flüssigkeit zu größeren Aggregaten zusammenzuschließen. Der Gefrierpunkt sinkt. Zweitens, Siedepunktserhöhung. Reines Wasser siedet bei 100 Grad Celsius. Sieden bedeutet, dass Wasserteilchen aus der flüssigen Phase in die Gasphase gelangen. Nun geben wir Salz dazu. Es entstehen Ionen. Die Wasserteilchen solvatisieren die Ionen. Sie werden durch die Ionen festgehalten. Dadurch gelangen sie schwerer in die Gasphase. Der Siedepunkt steigt. Gefrierpunktserniedrigung: Die Gefrierpunktserniedrigung wird in der Forschung verwendet. Beispiel: Für Glucose kann man durch Elementaranalyse zeigen, dass eine Zusammensetzung von C₆H₁₂O₆ vorliegt. Das Molekül der Glucose hat aber nicht unbedingt diese Zusammensetzung. Diese Zusammensetzung und ganzzahlige Vielfache sind möglich: Also (C₆H₁₂O₆)n, mit n = 1, 2, 3 und so weiter. Die Zahl n lässt sich durch die Gefrierpunktserniedrigung bestimmen. Eine konstante Einwaage m, führt bei n = 1 zu einer Erniedrigung des Gefrierpunktes um Delta T_f. Bei n = 2, 3 und so weiter, halbiert beziehungsweise drittelt sich der Wert, da sich die Zahl gelöster Teilchen halbiert beziehungsweise drittelt. Kryoskopie: Kryoskopie dient der Bestimmung molarer Massen, durch Ausnutzung der Gefrierpunktserniedrigung. Offensichtlich ist Delta T_f proportional zur Stoffmenge n_i des gelösten Stoffes. Delta T_f ~ n_i. Mit der Masse an Lösungsmittel liegt Antiproportionalität vor. Delta T_f ~ 1/m_LM. Zusammen: Delta T_f ~ n_i/m_LM. Der Quotient n_i/m_LM, ist eine Konzentrationsangabe. Man nennt sie Molalität: Stoffmenge je Masse Lösungsmittel. In der Kryoskopie verwendet man die Einheit mol/kg. Man kann als Gleichung formulieren: Delta T_f = K_f x n_i/m_LM. Der Proportionalitätsfaktor „K_f“, heißt kryoskopische Konstante. Die Einheit ist Grad Celsius pro mol pro Kilogramm, beides in Klammern, beziehungsweise Grad Celsius mal Kilogramm pro mol. K_f gibt an, wie stark ein Lösungsmittel zur Gefrierpunktserniedrigung neigt. Kryoskopische Konstanten: In der folgenden Übersicht findet ihr die kryoskopischen Konstanten für einige Lösungsmittel. Die Einheit ist wieder Grad Celsius mal Kilogramm pro mol. Wasser, 1,86. Essigsäure, 3,9. Benzol, 5,12. Cyclohexan, 20. Und Campher, 40. Campher hat den höchsten Wert und sollte daher nach Möglichkeit für die Bestimmung molarer Massen verwendet werden. Was bedeutet 40 Grad Celsius mal Kilogramm pro mol? Ein mol gelöster Stoff vermindert den Gefrierpunkt von einem Kilogramm Campher um 40 Grad Celsius. Löst man 59 Gramm (das ist ein mol) Acetamid CH₃CONH₂ in einem Kilogramm Campher, so sinkt dessen Schmelztemperatur (man sagt auch Gefrierpunkt) um 40 Grad Celsius von 175 Grad Celsius auf 135 Grad Celsius. Siedepunktserhöhung und Ebullioskopie: Die Siedepunktserhöhung wird in der sogenannten Ebullioskopie ausgenutzt. Gelöste Stoffe erhöhen die Siedetemperatur des Lösungsmittels. Der technische Aufwand ist höher als bei der Kryoskopie. Zurück zu unseren Beispielen: Am Meer: Bei niedrigen Temperaturen, von etwa minus fünf bis minus zehn Grad Celsius, friert das Meer mehrere Tage nicht zu. Eine der Ursachen dafür, ist das gelöste Salz. Es führt zu einer Gefrierpunktserniedrigung, wie bei der Kryoskopie. Heiße Suppe: Man kann sich leicht die Zunge verbrennen. Seltsamerweise passiert dieses Malheur beim Trinken von Tee viel seltener. In der Suppe sind verschiedene Salze und andere Stoffe gelöst. Das führt zu einer Siedepunktserhöhung, wie bei der Ebullioskopie. Schlussbemerkungen: Erstens, Kryoskopie und Ebullioskopie benutzen Gesetze für ideale Lösungen. Das bedeutet, dass mit ausreichend geringen Konzentrationen gearbeitet werden muss. Zweitens, entscheidend für die Effekte ist die Anzahl gelöster Teilchen. Beispiel: Ein mol Natriumchlorid liefert nach der Dissoziation zwei mol Teilchen, die Ionen. Drittens, bei der Verwendung der Indizes in den Formeln habe ich mich an moderne Schulliteratur gehalten. Mir selbst scheint sie nicht unbedingt nötig zu sein. Viertens, mitunter werden Konstanten mit Vorzeichen versehen, Kryoskopie mit „Minus“, Ebullioskopie mit „Plus“ oder vorzeichenlos. Wenn man weiß, in welche Richtung die Effekte verlaufen, ist das unnötig. Das war es auch schon wieder für heute. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüss, euer André.