12.1: Lösungsbildung

Es gibt kein einziges Lösungsmittel, das jede Art von gelöstem Stoff lösen kann. Einige Substanzen, die sich in einem bestimmten Lösungsmittel leicht lösen, können in einem anderen Lösungsmittel unlöslich sein. Eine einfache Möglichkeit, vorherzusagen, welche Substanzen sich in welchem Lösungsmittel lösen, ist die Formulierung „Gleiches löst sich in Gleichem auf“. Das bedeutet, dass sich polare Stoffe wie Salz und Zucker in einem polaren Stoff wie Wasser lösen. Im Gegensatz dazu sind unpolare Substanzen in unpolaren Lösungsmitteln wie Tetrachlorkohlenstoff besser löslich.

Diese selektive Löslichkeit kann durch die intermolekularen Kräfte innerhalb der Moleküle des gelösten Stoffes und des Lösungsmittels sowie durch die Kräfte zwischen den Molekülen des gelösten Stoffes und des Lösungsmittels in Lösung erklärt werden. Stärkere intermolekulare Kräfte zwischen den gelösten Stoffmolekülen und den Lösungsmittelmolekülen sorgen für eine bessere Löslichkeit des gelösten Stoffs im Lösungsmittel. Ionische Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen, die normalerweise polare gelöste Stoffe zusammenhalten, können nur durch andere starke Kräfte überwunden werden, wie etwa die Dipol-Dipol-Anziehungen zwischen polaren gelösten Stoffmolekülen und polaren Lösungsmittelmolekülen.

Dispersionskräfte zwischen unpolaren gelösten Stoffen werden überwiegend durch Dispersionskräfte zwischen den unpolaren gelösten Stoffmolekülen und den unpolaren Lösungsmittelmolekülen überwunden und sind nicht stark genug, um polare Wechselwirkungen aufzubrechen. Unpolare Substanzen wie Jod und Kohlendioxid können sich zwar in Wasser lösen, ihre Löslichkeit ist jedoch begrenzt.

Eine Lösung muss homogen sein; das heißt, es muss ein einheitliches Aussehen und die gleiche Konzentration des gelösten Stoffes im gesamten Lösungsmittel aufweisen. Stellen Sie sich vor, dass sich Zuckersirup und reines Wasser im selben Tank befinden, aber durch eine Barriere getrennt sind. Wenn die Barriere entfernt wird, vermischen sich die Flüssigkeiten spontan und bilden eine homogene Lösung. Dieses Phänomen wird als Konzentrationsgleichgewicht bezeichnet.

Eine Lösung ist ein homogenes Gemisch aus zwei Komponenten. Die Hauptkomponente wird als Lösungsmittel bezeichnet, während die Nebenkomponente als gelöster Stoff bezeichnet wird.

Abhängig vom Aggregatzustand des Lösungsmittels kann eine Lösung ein Feststoff sein, wie eine Legierung wie Messing, gasförmig, wie Luft, und flüssig, wie eine Salzlösung.

Flüssige Lösungen können auch Gase oder andere Flüssigkeiten enthalten, die in einem flüssigen Lösungsmittel gemischt sind. Wenn es sich bei dem Lösungsmittel um Wasser handelt, wird die Lösung als wässrig bezeichnet.

Ein gelöster Stoff, der in einem anderen Lösungsmittel als Wasser gelöst ist, wie z. B. Jod in Tetrachlorkohlenstoff, ergibt eine nichtwässrige Lösung.

Ein Lösungsmittel kann nicht alle gelösten Stoffe auflösen. Salz löst sich in Wasser auf, aber Öl trennt sich. So gilt Salz als löslich, während Öl in Wasser unlöslich ist.

Die Löslichkeit ist die maximale Menge an gelöstem Stoff, die sich in einer bestimmten Menge Lösungsmittel bei einer bestimmten Temperatur auflöst.

Die Löslichkeit hängt sowohl von den intermolekularen Kräften zwischen dem gelösten Stoff und dem Lösungsmittelmolekül als auch von der Neigung zur Vermischung ab, die durch eine Zunahme der Entropie des Systems angetrieben wird.

Die Entropie ist ein thermodynamisches Maß für die Energieverteilung oder -störung. Ein Prozess findet spontan statt, wenn die Gesamtentropie zunimmt.

Stellen Sie sich zwei Gase vor, die durch eine Barriere getrennt sind. Wird die Barriere entfernt, vermischen sich die beiden Gase spontan zu einer einzigen, homogenen Lösung.

Bei niedrigem Druck und moderater Temperatur gibt es keine signifikanten intermolekularen Kräfte zwischen ihren Molekülen. Die Gase verhalten sich also wie ideale Gase.

Dabei senkt die Bildung einer Lösung nicht die potentielle Energie der Atome, sondern ihre kinetische Energie kann nun auf ein größeres Volumen verteilt werden.

Diese Energieverteilung erhöht die Entropie jedes der Gase, wodurch die Lösungsbildung zu einem spontanen Prozess wird.