Lösungen und Löslichkeit

Stoffe und Stoffgemische

Die Materie ist eine allgemeine Beschreibung für alle Stoffe und Stoffgemische und kann in drei verschiedenen Formen auftreten: fest, flüssig und gasförmig. Ein reiner Stoff sieht von außen betrachtet immer einheitlich aus und wird daher als ein homogenes System bezeichnet. Das bedeutet, dass dieser Stoff an jedem Punkt die gleichen Eigenschaften hat (Beispiel: ein Goldbarren). Ein Stoffgemisch setzt sich aus mehreren Stoffen zusammen und kann entweder als ein homogenes oder nicht einheitliches bzw. heterogenes System beschrieben werden. Ein Beispiel für ein homogenes Stoffgemisch ist Leitungswasser – die gelösten Mineralien sind im Wasser mit bloßem Auge nicht zu erkennen. Ein Block Granit ist ein heterogenes Stoffgemisch, da dieser erkennbar schwarze, weiße und gräuliche Anteile besitzt, die auf eine verschiedenartige Stoffzusammensetzung hindeuten. Die sichtbaren Anteile bei einem heterogenen Stoffgemisch werden auch als Phase beschrieben. Im Umkehrschluss besteht ein homogenes Stoffgemisch nur aus einer Phase.

Die Lösung

Ein homogenes Stoffgemisch im flüssigen Aggregatzustand wird als Lösung bezeichnet. Der mengenmäßige Hauptanteil einer Lösung wird durch das Lösungsmittel (Solvens) eingenommen. In diesem Lösungsmittel können feste, flüssige und gasförmige Stoffe gelöst werden (Fachsprache: solvatisieren), sodass diese von außen betrachtet nicht mehr zu erkennen sind. Dieser Vorgang wird in der Fachsprache Solvatation bezeichnet. Die Angabe der Menge eines gelösten Stoffs in einem definierten Volumen des Lösungsmittels wird Konzentration genannt.

Die Löslichkeit

Aus dem Alltag ist uns das Beispiel bekannt, Kochsalz (Natriumchlorid, $\ce{NaCl}$) in einem Gefäß mit Wasser aufzulösen (z. B. für Nudelwasser). Durch das Lösen bildet sich ein homogenes Stoffgemisch, weil feste Bestandteile des Salzes mit bloßem Auge und sogar unter dem Mikroskop nicht mehr sichtbar sind. Jedoch kann keine unendliche Menge $\ce{NaCl}$ in das Wasser gegeben werden, denn jedes Lösungsmittel-Stoff-Gemisch besitzt eine begrenzbare Mischbarkeit. Diese wird über die Löslichkeit beschrieben. Als Beispiel: $358~\pu{g}$ $\ce{NaCl}$ lösen sich in $1~\pu{\ell}$ Wasser bei $\pu{20 °C}$. Die Löslichkeit für $\ce{NaCl}$ in Wasser wird dadurch mit $358~\pu{g}/\pu{\ell}$ angegeben, wobei generell gilt:

$Löslichkeit = \frac{\text{Masse des gelösten Stoffs in}~g}{\text{Volumen des Lösungsmittels in}~\ell}$

Würden 375 g Kochsalz in einen Liter Wasser gegeben werden, würde sich nicht alles an Feststoff auflösen können. Als Folge bleibt am Grund des Gefäßes ein Bodensatz mit $\ce{NaCl}$ liegen. Die Lösung wird in der Folge als gesättigt beschrieben. Hierbei liegt ein heterogenes Stoffgemisch vor, weil zwei sichtbare Phasen zu erkennen sind:

• 1. Phase: die flüssige, wässrige Lösung mit gelöstem $\ce{NaCl}$
• 1. Phase: der Bodensatz, der aus dem ungelösten Kochsalz besteht

Ein heterogenes Stoffgemisch aus einer flüssigen und einer festen Phase wird auch Suspension genannt. Obwohl von außen betrachtet keine Veränderungen an der Suspension sichtbar sind, herrscht ein dynamisches Gleichgewicht zwischen den zwei Phasen, genauer gesagt zwischen dem festen und gelösten Kochsalz.

$\ce{NaCl_{fest} <=> NaCl_{solvatisiert}}$

Mischbarkeit von Flüssigkeiten

In Abhängigkeit von den physikalischen Eigenschaften können zwei Flüssigkeiten unbegrenzt mischbar, begrenzt mischbar oder nicht mischbar sein. Wasser und das organische Lösungsmittel Ethanol sind unbegrenzt ineinander löslich, sodass immer ein homogenes Stoffgemisch entsteht. Sie bilden zusammen eine Phase. Wasser und Sonnenblumenöl sind nicht mischbar. Wird in ein Gefäß mit Wasser Sonnenblumenöl gegeben, bildet sich ein heterogenes Stoffgemisch. Die beiden Flüssigkeiten lagern sich deutlich erkennbar übereinander im Gefäß an. Dabei bildet die Flüssigkeit mit der kleineren Dichte (Sonnenblumenöl) die obere Phase (I) und die Flüssigkeit mit der größeren Dichte (Wasser) die untere Phase (II). Zwischen den beiden Phasen ist die Phasengrenze sichtbar. Obwohl diese beiden Flüssigkeiten nicht miteinander mischbar sind, befindet sich ein sehr geringer Anteil des Wassers in der Öl-Phase und umgekehrt. Es existiert an der Phasengrenze ein dynamisches Gleichgewicht zwischen diesen Komponenten:

$\ce{Wasser_{I} + Öl_{I} <=> Wasser_{II} + Öl_{II}}$

Um die Phasengrenze einer Emulsion aufzubrechen, können sogenannte Emulgatoren eingesetzt werden. Solche Verbindungen weisen eine gute Löslichkeit sowohl in Ölen und Fetten als auch in Wasser auf. Dadurch werden die beiden nicht mischbaren Phasen vereint.

Löslichkeit von Gasen

Neben Feststoffen und Flüssigkeiten können auch Gase in Lösungsmitteln gelöst werden. Diese Eigenschaft ist sogar von enormer Wichtigkeit für das Leben auf der Erde. Zum einen ermöglicht die Löslichkeit von Sauerstoff ($\ce{O2}$) im Wasser das Überleben aller Unterwasserlebewesen und zum anderen sind die Ozeane der größte Speicher für das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid ($\ce{CO2}$). Viele Haushalte versetzen ihr Leitungswasser selbst mit Kohlenstoffdioxid zur Herstellung von Sprudelwasser. Hierbei kann sich eine Flasche mit Wasser vorgestellt werden, in die langsam $\ce{CO2}$ eingeleitet wird. Am Anfang wird das Einleiten des Gases keine äußere Änderung hervorrufen, wodurch ein homogenes Stoffgemisch vorliegt. Ab einem bestimmten Zeitpunkt beginnt in der Lösung eine Gasentwicklung. Dies weist auf eine Sättigung der Lösung mit $\ce{CO2}$ hin. Die schäumende Mischung der Lösung mit den entstehenden Gasblasen entspricht einem heterogenen Stoffgemisch. Die Trennung der beiden Phasen ist mit bloßem Auge erkennbar. Das gasförmige und gelöste $\ce{CO2}$ stehen in einem dynamischen Gleichgewicht zueinander.

$\ce{CO2_{solvatisiert} <=> CO2_{gasförmig}}$

Bei den Bedingungen $\pu{20 °C}$ und $1~\pu{bar}$ lösen sich $1.69~\pu{g}$ $\ce{CO2}$ in einem Liter Wasser. Sauerstoff ($\ce{O2}$) hat hingegen nur eine Löslichkeit von $0,04~\pu{g}$ in einem Liter Wasser.

Beeinflussung der Löslichkeit

Die Löslichkeit eines Stoffs kann durch die Umweltfaktoren Temperatur und Druck beeinflusst werden. Liegt eine Lösung als flüssig/fest- bzw. flüssig/flüssig-Stoffgemisch vor, kann die Löslichkeit nur durch die Temperatur geändert werden. Der Einfluss des Drucks kann hier vernachlässigt werden. Für das Gedankenexperiment, bei dem 375 g Kochsalz in einen Liter Wasser gegeben wurden, liegt eine gesättigte Lösung vor. Wird die Temperatur dieses heterogenen Stoffgemischs erhöht, tritt schrittweise die Auflösung des $\ce{NaCl}$ ein. Die Löslichkeit von $\ce{NaCl}$ in Wasser bei $\pu{80 °C}$ beträgt 380 g/$\ell$. Dementsprechend liegt ein homogenes Stoffgemisch vor, wenn die Lösung eine Temperatur von $\pu{80 °C}$ erreicht hat. Eine Temperaturerhöhung kann in vielen Fällen die Löslichkeit erhöhen, muss jedoch nicht zwingend zur vollständigen Auflösung des Feststoffs führen. Bei Gasen tritt der umgekehrte Effekt ein. Bei einer Erhöhung der Temperatur sinkt die Löslichkeit eines Gases in einem Lösungsmittel. Bei der Siedetemperatur des Lösungsmittels ist die Löslichkeit eines Gases null, weil der Aggregatzustandswechsel des Lösungsmittels von flüssig zu gasförmig zu einer vollständigen Freisetzung der gelösten Gasmoleküle führt.

Im Gegensatz zur Temperatur bewirkt die Erhöhung des Drucks die verbesserte Löslichkeit eines Gases. Der Gasraum über der Lösung beinhaltet bei einem höheren Druck mehr Gasmoleküle, wodurch diese vermehrt in die Lösung übergehen, um das Gleichgewicht zwischen Gas- und Flüssigphase wiederherzustellen. Ein Phänomen, bei dem die druckabhängige Löslichkeit von Gasen in einer Lösung eine entscheidende Rolle spielt, ist die Taucherkrankheit.

Die Taucherkrankheit

Beim Tauchvorgang in Richtung des Meeresbodens erhöht sich anhand einer Faustregel der Unterwasserdruck alle zehn Meter um ein Bar. Dieser Druckanstieg trägt auch zu einer erhöhten Löslichkeit des Sauerstoffs in unseren Blutgefäßen bei. Jedoch besteht der größte Anteil unserer Atemluft aus Stickstoff (78 %). Beim Abtauchen wird durch die Druckerhöhung mehr Stickstoff aus der Atemluft ins Blut aufgenommen. Dies stellt grundsätzlich keine Gefahr für das Gewebe und das Gehirn dar. Der Vorgang des Auftauchens birgt jedoch Gefahren, wenn sich die tauchenden Personen nicht an die Regeln halten. Durch die Drucksenkung beim Auftauchen sinkt die Löslichkeit der Gase im Blut. Wenn jedoch die Rückkehr an die Wasseroberfläche zu schnell erfolgt, kann sich das Gleichgewicht des Stickstoffs zwischen Lösungs- und Gasphase nicht ausreichend einstellen. Als Folge kommt es beim Erreichen der Wasseroberfläche zu einer spontanen Gasentwicklung, wodurch man sich in den Blutgefäßen ein ähnliches Bild wie beim Öffnen einer Flasche Sprudelwasser vorstellen kann. Dies führt zur Schädigung des Gewebes sowie der Blutgefäße und kann im extremen Fall fatale Folgen haben.

Der Grund für die Mischbarkeit von Stoffen

Die Mischbarkeit von einem Stoff in einem Lösungsmittel hängt von der Stärke der Wechselwirkung zwischen den Molekülen ab. Die Einteilung der Verbindungen über die sogenannte Polarität kann als Hilfestellung dienen.

Die Polarität

Stoffe und Lösungsmittel können anhand ihrer Polarität in zwei Gruppen eingeteilt werden: polar und unpolar. Nach dem Merkspruch wird ersichtlich, dass sich bevorzugt polare Stoffe mit polaren Lösungsmitteln und unpolare Stoffe mit unpolaren Lösungsmitteln mischen. Wasser ist eine typisch polare Verbindung. Die Fette (Fachbegriff: Lipide) im Sonnenblumenöl sind klassische Vertreter der unpolaren Verbindungen. Als Folge tritt keine Mischung dieser Verbindungen ein.

Das Erkennen von polaren Verbindungen

Der Dipol beschreibt die ungleiche Verteilung der Elektronen in einem Bereich des Moleküls, sodass ein Teil des Moleküls positiv geladen (Pluspol,$\delta ^{+}$) und der andere Teil negativ geladen (Minuspol,$\delta ^{-}$) ist. Wasser ($\ce{H2O}$) stellt das klassische Beispiel für ein Dipolmolekül dar. Zwei Wassermoleküle orientieren sich über die Pole zueinander, das bedeutet, dass zum Beispiel der Pluspol von Molekül eins mit dem Minuspol von Molekül zwei wechselwirkt. Durch die Anwesenheit von polaren Gruppen wird in organischen Verbindungen ein Dipol erzeugt. Ethanol besitzt eine polare Hydroxylgruppe, die einen Dipol ausbildet. Dadurch kann dieser mit dem Dipol des Wassers wechselwirken, wodurch Wasser und Ethanol mischbar sind. Weitere Beispiele für polare Gruppen sind in der folgenden Tabelle dargestellt.

Gase können ebenfalls einen Dipol aufweisen, der sich über das ganze Molekül verteilt wie beim Wassermolekül. Typische Dipolmoleküle sind Schwefeldioxid ($\ce{SO2}$) oder Ammoniak ($\ce{NH3}$). In der gleichen Weise wie Ethanol wechselwirkt der positive Pol eines $\ce{SO2}$-Moleküls mit dem negativen Pol eines Wassermoleküls. Der positive Pol dieses Wassermoleküls kann entweder mit dem negativen Pol eines weiteren $\ce{SO2}$- oder Wassermoleküls interagieren.

Polarisierung

Gasmoleküle, die nur aus einer Atomsorte bestehen, können keinen Dipol selbst ausbilden, zum Beispiel Sauerstoff ($\ce{O2}$), Stickstoff ($\ce{N2}$) oder Chlor ($\ce{Cl2}$). Auch Edelgase besitzen keinen Dipol, da sie nur als einzelnes Atom existieren. Wenn diese Gase mit einem starken Dipolmolekül wie Wasser in Kontakt kommen, können die Dipole der Wassermoleküle die Elektronendichte in den Gasteilchen zu einem gewissen Anteil verschieben. Somit entsteht ein induzierter Pluspol ($\delta ^{+}$) und Minuspol ($\delta ^{-}$) in diesen Molekülen bzw. Edelgasatomen, wodurch diese Gase mit Wasser mischbar werden. Dieser Vorgang heißt Polarisierung.

Löslichkeit ausgewählter Gase in Wasser bei $\pu{20 °C}$

• Ammoniak: 514 g/$\ell$
• Schwefeldioxid: 112 g/$\ell$
• Chlor: 6 g/$\ell$
• Stickstoff: 0,02 g/$\ell$
• Helium: 0,002 g/$\ell$

Lösungen und Löslichkeit – Zusammenfassung

Häufig gestellte Fragen zum Thema Lösungen und Löslichkeit