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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 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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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 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 mit dem Mischungskreuz schnell die entsprechenden Lösungen herzustellen:
 
 
Stoff und Konzentration
Dichte in
Gramm pro Kubikzentimeter
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
44 ml 25%ige Ammoniaklösung in 60 ml Wasser lösen
Natronlauge
konzentriert
1,43
40%
ca. 14,3 mol/l
käuflich
Natronlauge
verdünnt
1,03
3%
ca. 0,8 mol/l
13 ml 20%ige Natronlauge in 90 ml Wasser lösen
Salpetersäure
konzentriert
1,40
65%
ca. 14,4 mol/l
käuflich
Salpetersäure
verdünnt
1,07
12%
ca. 2,0 mol/l
14 ml 65%ige Salpetersäure in 86,5 ml 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 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 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 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.  
  
  
Herstellungsrezepte für wichtige Lösungen  
 



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