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Lösungen und kolloidale Lösungen

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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 Kaliumpermanganat-Lösung auf dem Foto) lassen sich die gelösten Stoffe nicht durch Filtrieren 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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LupeDurch 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 Flüssigkeits-Tröpfchen 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 der Lösungen

Bei einer 12%igen Kochsalzlösung sind in 100 Gramm der Lösung 12% Kochsalz oder 12 Gramm Kochsalz enthalten. Die notwendigen Mengen können berechnet werden: Wenn in 100 Gramm Lösung 12% Massenanteile Kochsalz enthalten sind, muss man 12 Gramm Kochsalz mit 88 Gramm oder 0,088 Liter Wasser mischen. Bei kristallwasserhaltigen Salzen wie beim blauen Kupfer(II)-sulfat Pentahydrat CuSO
• 5 H2O ist zu berücksichtigen, dass der Kristallwasser-Anteil 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.


Mischungskreuz


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. Verdünnt man mit destilliertem Wasser (0%) stellt sich das Ergebnis aus dem Mischungskreuz so dar:


Berechnung


Es sind nach diesem Beispiel also 12 Gramm 65%ige Salpetersäure mit 53 Gramm destilliertem Wasser zu verdünnen. In der Literatur wird die Konzentration von Säuren oft nur als „verdünnte“ oder „konzentrierte“ Säure angegeben. Diese Tabelle kann benutzt werden, um ohne Berechnung schnell ungefähr 100 ml der gewünschten Lösung herzustellen:


Stoff und Konzentration
Dichte in
Gramm pro Kubikzentimeter
Konzentration in Massenprozent
Ungefähre
Stoffmengen-K
onzentration
Herstellungsrezept zur Herstellung ungefährer Lösungen
Ammoniaklösung
konzentriert
0,906
25 %
ca. 13,3 mol/l
käuflich
Ammoniaklösung
verdünnt
0,957
10 %
ca. 5,6 mol/l
44 ml 25%ige Ammoniaklösung
in 60 ml Wasser lösen
Natronlauge
konzentriert
1,349
32%
ca. 10,8 mol/l
käuflich
Natronlauge
verdünnt
1,109 10 % ca. 2,8 mol/l 25 ml 32%ige Natronlauge
in 74 ml Wasser lösen
Natronlauge
verdünnt
1,032
3 %
ca. 0,8 mol/l
7 ml 32%ige Natronlauge in 91 ml Wasser lösen
Salpetersäure
konzentriert
1,391
65 %
ca. 14,4 mol/l
käuflich
Salpetersäure
verdünnt
1,066
12 %
 ca. 2,0 mol/l
14 ml 65%ige Salpetersäure
in 86 ml Wasser lösen
Salpetersäure
verdünnt
1,054 10 % ca. 1,7 mol/l 12 ml 65%ige Salpetersäure
in 92 ml Wasser lösen
Salzsäure
rauchend
1,184
37 %
ca. 12,0 mol/l
käuflich
Salzsäure
verdünnt
1,098 20 % ca. 6,0 mol/l 50 ml rauchende Salzsäure
in 50 ml Wasser lösen
Salzsäure
verdünnt
1,048
10 %
ca. 2,9 mol/l
24 ml rauchende Salzsäure
in 77 ml Wasser lösen
Schwefelsäure
konzentriert
1,836
96 %
ca. 18,0 mol/l
käuflich
Schwefelsäure
verdünnt
1,066
10 %
ca. 1,1 mol/l
6 ml 96%ige Schwefelsäure
in 95 ml Wasser lösen
Wasserstoffperoxid
konzentriert
1,11
30 %
ca. 9,8 mol/l
käuflich
Wasserstoffperoxid
verdünnt
1,01 10 % ca. 3 mol/l 31 ml 30%iges Wasserstoffperoxid
in 69 ml Wasser lösen
Wasserstoffperoxid
verdünnt
1,00
3 %
ca. 0,9 mol/l
9 ml 30%iges Wasserstoffperoxid
in 90 ml 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 100 Milliliter Brennspiritus mit 96 Volumenprozent Anteil genau 96 Milliliter Ethanol. Zur Herstellung einer alkoholischen Lösung mit beispielsweise 40 Volumenprozent gibt man in einen leeren Messkolben (100 ml) zunächst 40 Milliliter 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: 50 Milliliter Wasser und 50 Milliliter Ethanol ergeben nicht 100 Milliliter Lösung, sondern weniger. Insofern ist die Volumenprozent-Angabe relativ ungenau.



Molare Lösungen  
   
In der Maßanalyse will man eine Lösung herstellen, die zum Beispiel in einem Liter Lösung ein Mol Natriumchlorid enthält. Dazu entnimmt man einem Lexikon die chemische Formel für Natriumchlorid NaCl und addiert die relativen Atommassen der beteiligten Atome. Dabei erhält man die Stoffmenge in Gramm, die einem Mol entspricht:

u
(Na) + u(Cl)  =  23 g/mol + 35,5 g/mol  =  58,5 g/mol (gerundet)  
   
Diese Masse wird als molare Masse bezeichnet. Sie steht auch meistens bei den Formeln jedes Stoffes in einem Lexikon oder in einer Datenbank schon mit dabei. 

M  =  m ÷ n
M        Molare Masse
m
        Masse
       Stoffmenge

Es werden also zunächst 58,5 Gramm Natriumchlorid in einem 1-Liter-Messkolben in ungefähr 500 ml destilliertem Wasser aufgelöst. Erst danach wird mit destilliertem Wasser bis zur 1-Liter-Messmarke aufgefüllt. So erhält man exakt einen Liter einer Lösung mit der Konzentration ein Mol pro Liter. (>Rechenbeispiele).


Bestimmung der Löslichkeit bei Salzen  

Die Sättigung bei einer Salzlösung ist erreicht, wenn der Bodenkörper des Salzes in einem Gleichgewicht mit der darüber stehenden Lösung steht. Die Löslichkeit der Salze ist fast immer temperaturabhängig. Bei den meisten Salzen erfolgt das Lösen im Wasser endotherm, dann nimmt die Löslichkeit mit steigender Temperatur zu. Dies kann man in einem Löslichkeitsdiagramm darstellen:


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Beim Lösen eines Salzes in Wasser wird zuerst Energie oder Wärme benötigt, um die Ionenbindung im Salz aufzubrechen. In einem zweiten Schritt kommt es zur Hydratation der Ionen, dabei wird wieder Wärme abgegeben. Wenn in der Gesamtreaktion mehr Energie aufgewendet werden muss als frei wird, ist die Lösungsenthalpie positiv. Beim Kaliumnitrat ist die Lösungsenthalpie (oder Lösungswärme) mit einem Wert von +34,89 KJ/mol relativ stark positiv. Beim Lösen findet eine Abkühlung statt. Natriumchlorid besitzt mit +3,88 KJ/mol nur eine schwach positive Lösungsenthalpie, daher findet beim Lösen nur eine geringe Abkühlung statt. Nur bei einigen wenigen Salzen verläuft der Löseprozess im Wasser exotherm, so das Energie frei wird. Bei diesen Salzen ist die Lösungsenthalpie negativ, beim Lösen erwärmt sich die Lösung. Beispiele dafür sind Natriumhydroxid mit einer Lösungsenthalpie von −44,51 KJ/mol oder kristallwasserfreies Calciumchlorid mit einer Lösungsenthalpie von −59,8 KJ/mol.


Löslichkeitsangabe

In Chemikaliendatenbanken wird die Wasserlöslichkeit für anorganische Salze wie Natriumchlorid meist als Löslichkeitsangabe angegeben: 100 Gramm Wasser lösen bei 25 °C etwa 36 Gramm Kochsalz. Wenn man dies durchführt, erhält man 136 Gramm der Natriumchlorid-Lösung. Die Löslichkeitsangabe ist nicht identisch mit der Massenprozentangabe!


Massenprozentangabe  
  
Wie lässt sich das oben genannte Beispiel in Massenprozent umrechnen?  

136 g Kochsalzlösung  =  100 %   | Umformen
36 g Kochsalz  =  x %  
   
x  =  36 g × 100 % ÷ 136 g  =  26,47 %  

  
Zur Bestimmung der Löslichkeit bei einer bestimmten Temperatur, zum Beispiel bei 80 °C, erwärmt man 50 Milliliter 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 10 Gramm 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 10 Gramm Lösung beispielsweise 2,75 Gramm 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 10 Milliliter pipettieren. Dann wiegt man die 10 Milliliter Lösung und dampft das Wasser ab. Die Berechnung erfolgt dann aus dem Verhältnis der Masse der pipettierten 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 Gas-Lösungen bevorzugt. Die Konzentrationsangabe 300 Gramm pro Liter Lösung bei 20 °C bedeutet, dass bei 20 °C in einem Liter der gesättigten Lösung 300 Gramm des Stoffes gelöst sind.
  
  
Weitere Informationen
Herstellungsrezepte für wichtige Lösungen

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