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Lösungen und kolloidale Lösungen

  
 
Eine Lösung ist ein homogenes System aus einem Lösungsmittel und einem darin gelösten, festen, flüssigen oder gasförmigen Stoff. Es können auch mehrere Stoffe im Lösungsmittel gelöst sein. In echten Lösungen (wie in der Kaliumpermanganatlösung auf dem Foto) lassen sich die gelösten Stoffe nicht durch Fitrieren oder durch Zentrifugieren vom Lösungsmittel trennen. Klare (und auch farbige) Lösungen sind homogen vermischt, sie haben eigene chemisch-physikalische Eigenschaften. Der Siedepunkt einer Lösung ist höher als der des reinen Lösungsmittels.  
  
  
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Durch die Salzlösung links geht das gebündelte Licht einfach hindurch,
in der kolloidalen Seifenlösung rechts wird das Licht stark gestreut.
    
    
Kolloidale Lösungen stellen Stoffgemische dar, bei denen die gelösten Teilchen so groß sind, dass sie Lichtstrahlen brechen. Die Größe der Kolloidteilchen liegt zwischen einem Nanometer und einem Mikrometer. Sendet man durch eine kolloidale Lösung einen gebündelten Lichtstrahl, wird das Licht gestreut. Das Phänomen ist unter dem Namen Tyndall-Effekt bekannt. In einer Seifenlösung bilden die Seifen-Moleküle Micellen, die groß genug sind, um das Licht zu streuen. Kolloide Partikel besitzen in der Nanotechnologie zunehmend eine Bedeutung.  
   
Sind die Teilchen größer als ein Mikrometer, spricht man von einer Suspension oder einer Emulsion. Der Übergang ist oft fließend. Eine Suspension liegt vor, wenn unlösliche, feste Stoffe in einer Flüssigkeit fein verteilt schwimmen. Ein Beispiel dafür wäre das Verrühren von Mehl mit Wasser bei der Teigherstellung. Bei einer Emulsion vermischen sich zwei nicht lösliche Flüssigkeiten, wenn die Flüssigkeitströpfchen fein verteilt werden. Bei der Herstellung von Mayonnaise erhält man eine Emulsion von Salatöl und Eigelb. Hierbei dient das Lecithin aus dem Eigelb als Emulgator.  
   
  
Massenanteil von Lösungen  
   
Bei einer 12%igen Kochsalzlösung sind in 100g der Lösung 12% Kochsalz, bzw. 12g Kochsalz enthalten. Die notwendigen Mengen können berechnet werden: Wenn in 100g Lösung 12% Massenanteile Kochsalz enthalten sind, muss man 12g Kochsalz mit 88g (=88ml) Wasser mischen. Bei kristallwasserhaltigen Salzen, z.B. beim blauen Kupfer(II)-sulfat-Pentahydrat (CuSO4 . 5 H2O) ist zu berücksichtigen, dass der Kristallwasseranteil die Berechnung den Anteil an gelöstem Kupfer(II)-sulfat verfälscht. Entweder muss der Anteil umgerechnet werden oder man benutzt nur kristallwasserfreie Stoffe wie weißes Kupfer(II)-sulfat (CuSO4).  
  
Konzentrierte und verdünnte Säuren oder Laugen werden oft in Massenprozenten angegeben. Aus konzentrierten Lösungen lassen sich die verdünnten Lösungen unter Zuhilfenahme des Mischungskreuzes verdünnen. Beispiel: Aus 65%iger Salpetersäure soll durch Verdünnen 12%ige Salpetersäure hergestellt werden.  
   
  
Mischungskreuz
   
  
Verdünnt man mit destilliertem Wasser (0%) stellt sich das Ergebnis aus dem Mischungskreuz so dar:  
    
  
Berechnung
    
  
Es sind beispielsweise 12g 65%ige Salpetersäure mit 53g destilliertem Wasser zu verdünnen. In der Literatur wird die Konzentration von Säuren oft nur als "verdünnte" oder "konzentrierte" Säure angegeben:  
 
 
Stoff
und
Konzentration
Dichte
in
g/cm³
Konzentration
in
Massenprozent
Annähernde
Stoffmengen-
konzentration
Herstellungsrezept
zur Herstellung
ungefährer Lösungen
Ammoniaklösung
konzentriert
0,91
25%
ca. 13,4 mol/l
käuflich
Ammoniaklösung
verdünnt
0,96
10%
ca. 5,7 mol/l
44ml 25%ige Ammoniaklösung in 60ml Wasser lösen
Natronlauge
konzentriert
1,43
40%
ca. 14,3 mol/l
käuflich
Natronlauge
verdünnt
1,03
3%
ca. 0,8 mol/l
13ml 20%ige Natronlauge in 90ml Wasser lösen
Salpetersäure
konzentriert
1,40
65%
ca. 14,4 mol/l
käuflich
Salpetersäure
verdünnt
1,07
12%
ca. 2,0 mol/l
14ml 65%ige Salpetersäure in 86,5ml Wasser lösen
Salzsäure
rauchend
1,18
37%
ca. 12,0 mol/l
käuflich
Salzsäure
verdünnt
1,05
10%
ca. 2,9 mol/l
24ml rauchende Salzsäure in 77ml Wasser lösen
Schwefelsäure
konzentriert
1,84
96%
ca. 18,0 mol/l
käuflich
Schwefelsäure
verdünnt
1,07
10%
ca. 1,1 mol/l
6ml 96%ige Schwefelsäure in 95ml Wasser lösen
Wasserstoffperoxid
konzentriert
1,12
30%
ca. 9,9 mol/l
käuflich
Wasserstoffperoxid
verdünnt
1,01
3%
ca. 0,9 mol/l
9ml 30%ige Wasserstoffperoxidlösung in 90ml Wasser lösen
   
  
Volumenanteil von Lösungen  
   
Die Volumenprozent-Angabe wird bei Salzlösungen praktisch nicht verwendet. Dagegen findet man sie häufig bei Mischungen organischer Flüssigkeiten, wie bei Alkohol-Wasser-Gemischen. So enthalten 100ml Brennspiritus mit 96 Volumenprozent Anteil genau 96ml Ethanol. Zur Herstellung einer alkoholischen Lösung mit z.B. 40 Volumenprozent gibt man in einen leeren 100ml-Messkolben zunächst 40ml Ethanol und füllt dann bis zur 100ml-Markierung auf. Dabei ist zu beachten, dass Ethanol eine geringere Dichte als Wasser besitzt, außerdem tritt bei der Mischung das Phänomen der Volumenkontraktion auf: 50ml Wasser und 50ml Ethanol ergeben nicht 100ml Lösung, sondern weniger. Insofern ist die Volumenprozent-Angabe relativ ungenau.  
   
   
Molare Lösungen  
   
In der Maßanaylse will der Chemiker eine Lösung herstellen, die in einem Liter Lösung 1 Mol der Stoffmenge an Natriumchlorid enthält. Dazu entnimmt er einem Lexikon die chemische Formel für Natriumchlorid (NaCl) und addiert die Atommassen der beteiligten Atome. Dabei erhält er die Masse, die der Stoffmenge 1 Mol entspricht:  

u (Na) + u (Cl)  =  23g + 35,5g   =  58,5 Gramm (gerundet)  
   
Diese Masse wird als molare Masse bezeichnet (Symbol M, gelegentlich auch MG). Sie steht auch meistens bei den Formeln jedes Stoffes im Lexikon schon mit dabei.  

 
Berechnung der molaren Masse

 
(Beispiel Natriumchlorid   M = 58,5 g/mol)
   
  
Der Chemiker weiß nun, dass er 58,5 Gramm Natriumchlorid zunächst in einem 1-Liter-Messkolben mit ca. 500ml destilliertem Wasser auflösen und dann mit destilliertem Wasser bis zur 1-Liter-Messmarke auffüllen muss, um eine 1-molare Lösung zu erhalten. Die Lösung besitzt dann eine Konzentration von 1mol/l (weitere Rechenbeispiele bei >Stoffmenge).  
   
   
Bestimmung der Löslichkeit bei Salzen  
   
Die Löslichkeit der Salze ist fast immer temperaturabhängig. Je höher die Temperatur des Lösungsmittels, umso mehr Salz löst sich in der Regel darin. Dies wird in einem Löslichkeitsdiagramm ausgedrückt:  
   
  
   
   
Löslichkeitsangabe  

In Chemikaliendatenbanken (siehe Natriumchlorid, und auch auf der Grafik oben) wird die Wasserlöslichkeit für Kochsalz so dargestellt: 100g Wasser lösen bei 25°C 36g Kochsalz. Wenn man dies durchführt, erhält man 136g Kochsalzlösung. Die Löslichkeitsangabe ist nicht identisch mit der Massenprozentangabe!  

  
Massenprozentangabe  
  
Wie lässt sich das oben genannte Beispiel in Massenprozent umrechnen?  
   
136g Kochsalzlösung = 100%  
36g Kochsalz = x%  
   
x = 36g 100% / 136g = 26,47%  
  
Zur Bestimmung der Löslichkeit bei einer bestimmten Temperatur (z.B. bei 80°C) erwärmt man 50ml destilliertes Wasser in einem 100ml-Becherglas auf genau 80°C und gibt unter ständigem Rühren solange das Salz hinzu, bis ein Bodensatz entsteht. Von der klaren Lösung gibt man 10g in ein kleines Becherglas, das man vorher leer gewogen hat *). Nach dem Abdampfen des Wassers in einem Trockenschrank wiegt man das zurückbleibende Salz und kann dann die maximale Löslichkeit bei 80°C berechnen: Erhält man nach dem Abdampfen des Wassers aus 10g Lösung beispielsweise 2,75g Kochsalz, dann enthielt die Lösung zuvor 27,5 Massenprozent Kochsalz. Bei 80°C sind 27,5% Massenanteile Kochsalz in einer gesättigten, wässrigen Lösung enthalten.  
  
*) Alternativ kann man auch 10ml abpipettieren. Dann wiegt man die 10ml Lösung und dampft das Wasser ab. Die Berechnung erfolgt dann aus dem Verhältnis der Masse der abpipettierten Lösung zur Masse des nach dem Abdampfen zurückbleibenden Salzes.  
  
   
Konzentrationsangabe  

Als dritte Möglichkeit kann man auch die Löslichkeit in der Konzentration pro Liter Lösung angeben. Dies wird oft bei organischen Flüssigkeiten und bei Gaslösungen bevorzugt. Die Konzentrationsangabe 300 Gramm pro Liter Lösung (bei 20°C) bedeutet, dass bei 20°C in einem Liter der gesättigten Lösung 300g des Stoffes gelöst sind.  
  
  
Herstellungsrezepte für wichtige Lösungen  
 

 
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