Lösungsmittel und gelöster
Stoff
Grundsätzlich kann man bei jedem Stoff versuchen, ihn in einer
Flüssigkeit zu lösen.
Viele Stoffe sind gut, viele andere hingegen aber auch schlecht löslich.
Das hängt vom Lösungsmittel
(z. B. Wasser, Ethanol), vom zu lösenden Stoff (z. B. Natriumchlorid,
Octan), aber auch von der Temperatur
und einigen anderen Faktoren ab.
Der nachfolgenden Artikel beschränkt sich auf das Lösen von
Salzen in Wasser.
Beim Lösen in anderen Lösungsmittel gibt es sowohl Unterschiede
als auch Gemeinsamkeiten im Vergleich zum Lösen von Salzen in Wasser.
Das Lösen von Salzen in Wasser
Im Lösungsmittel Wasser lösen sich viele Salze gut,
völlig unlöslich sind auch die schwer löslichen Salze nicht.
Die Ionen im Gitter werden
durch elektrostatische
Kräfte zusammengehalten. Beim Lösen lagern sich die Wassermoleküle mit ihren Dipolen
angefangen an den Ecken und Kanten an die Ionen an und um sie herum. Dadurch werden die Bindungskräfte zu den anderen Ionen im Gitter geschwächt. Die Ionen gehen als hydratisierte
Ionen in Lösung.
Betrachtet man das Lösen von Salzen in Wasser unter diesem Blickwinkel,
kann man alle Merkmale einer chemischen Reaktion feststellen.
Energetische Betrachtung des Lösungsvorganges
Um die Ionen aus dem Ionengitter "herauszulösen", ist Energie
nötig. Diese bezeichnet man als Gitterenergie.
Die bei der Bildung der Hydrathülle frei werdende Energie nennt man
dementsprechend Hydratationsenergie.
Erwärmt sich die Lösung beim Lösen des Salzes, ist der
Betrag der Hydratationsenergie größer als der der Gitterenergie
(exothermer Lösungsvorgang).
Bei einem endothermen Lösungsvorgang ist die Hydratationsenergie
kleiner als die Gitterenergie. Die dabei fehlende Energie zum Lösen
des Salzes wird dem Lösungsmittel entzogen (die Lösung kühlt
ab).
Die Löslichkeit eines Stoffes
Die Löslichkeit eines
Salzes gibt an, welche Menge des Stoffes sich bei einer bestimmten Temperatur
in einer bestimmten Menge Lösungsmittel lösen.
Diese Größe ist stoffspezifisch.
Man unterscheidet gesättigte
Lösungen und ungesättigte
Lösungen.
1. Die gesättigte Lösung enthält die maximale Menge gelöster
Substanz bei einer bestimmten Temperatur. Bei weiterer Substanzzugabe
setzt sich diese als Bodenkörper in Form eines Niederschlages ab.
2. Ungesättigte Lösungen enthalten noch nicht die maximale Menge
an gelöster Substanz. Bei weiterer Substanzzugabe löst sich
noch etwas in der Lösung auf.
Die Löslichkeit eines Stoffes bei einer bestimmten Temperatur in
einem bestimmten Lösungsmittel lässt sich berechnen, indem man
die Konzentration des gelösten Stoffes ermittelt, die in seiner gesättigten
Lösung vorliegt (Sättigungskonzentration).
Die Löslichkeit ist temperaturabhängig.
Mit steigender Temperatur nimmt die Löslichkeit eines Salzes ab oder
zu, je nach dem ob der Lösungsvorgang exotherm oder endotherm ist.
Erwärmt man beispielsweise eine gesättigte Kaliumchloridlösung,
löst sich eventuell vorhandener Niederschlag auf.
Bei der höheren Temperatur war die Lösung also noch nicht gesättigt.
Diesen Zusammenhang kann man in Diagrammen darstellen. Bei den meisten
Salzen nimmt die Löslichkeit mit steigender Temperatur zu.
Züchtung von Kristallen
Eine besondere Rolle spielt der Zusammenhang zwischen der Löslichkeit
des Salzes und der herrschenden Temperatur beim Züchten von Kristallen.
Dazu wird zuerst einmal eine gesättigte Salzlösung hergestellt,
indem man Wasser erhitzt und so viel Salz hinzu gibt, bis die Sättigung
erreicht ist. Dann lässt man die Lösung abkühlen und filtriert
den dann entstandenen Bodenkörper ab.
Das Gefäß mit der so hergestellten Lösung stellt man an
einem erschütterungsfreien Ort mit einer gleichbleibenden Temperatur
auf. Zum Schutz vor Staub wird das Gefäß mit einem Filterpapier
zwar abgedeckt, aber es darf nicht verschlossen sein. Durch Verdunstungsvorgänge
nimmt die Menge des Wassers ab.
Da die Lösung nun übersättigt wird, kristallisiert das betreffende
Salz aus. Einen besonders gut ausgebildeten Kristall kann man mit einer
Pinzette entnehmen, ihn an einem Faden befestigen und erneut in eine gesättigte
Lösung hängen.
Mit der Zeit "wächst" der Kristall. Das bedeutet, dass
sich durch den langsamen Prozess die typische Kristallform ausbilden kann.
Man kann die Übersättigung und damit das Auskristallisieren auch beim Abkühlen der Lösung erreichen. Besonders gut ausgebildete Kristalle erhält man aber nur bei sehr langsamer Zunahme der Übersättigung, wie es bei dem Verdunsten des Wassers gegeben ist. Bei einer Kristallzüchtung durch Abkühlen müsste demzufolge der Abkühlprozess entsprechend langsam geregelt werden.