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 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.
Verdünnt man mit destilliertem Wasser
(0%) stellt sich das Ergebnis aus dem Mischungskreuz so dar:
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
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Herstellungsrezept
zur Herstellung
ungefährer Lösungen
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Ammoniaklösung
konzentriert
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0,91
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25%
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ca. 13,4 mol/l
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käuflich
|
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Ammoniaklösung
verdünnt
|
0,96
|
10%
|
ca. 5,7 mol/l
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44ml 25%ige Ammoniaklösung
in 60ml Wasser lösen
|
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Natronlauge
konzentriert
|
1,43
|
40%
|
ca. 14,3 mol/l
|
käuflich
|
|
Natronlauge
verdünnt
|
1,03
|
3%
|
ca. 0,8 mol/l
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13ml 20%ige Natronlauge
in 90ml Wasser lösen
|
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Salpetersäure
konzentriert
|
1,40
|
65%
|
ca. 14,4 mol/l
|
käuflich
|
|
Salpetersäure
verdünnt
|
1,07
|
12%
|
ca. 2,0 mol/l
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14ml 65%ige Salpetersäure
in 86,5ml Wasser lösen
|
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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
|
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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
|
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Wasserstoffperoxid
konzentriert
|
1,12
|
30%
|
ca. 9,9 mol/l
|
käuflich
|
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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.
(z.B. für
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 von 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:
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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 von
Salzen 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