Gesättigte und Ungesättigte Lösungen

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.