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2.16: Lösungsmittel
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2.16: Solvents

2.16: Lösungsmittel

A solvent is a substance, most often a liquid, that can dissolve other substances. Here, the substance being dissolved is called a solute. When a solvent and a solute combine, they form a solution that, at the molecular level, is a homogenous mixture of both the solvent and the solute. Water is a universal biological solvent. Its polar structure allows it to dissolve many other polar compounds. The ability of water to dissolve is governed by a balance between water molecules binding to each other and binding to the solute.

A saturated solution contains the maximum amount of dissolvable solute. For example, salt (NaCl) is readily dissolved in water to create salt water, or saline. It dissolves because salt dissociates into its respective ions sodium (Na+) and chloride (Cl-). Water is polar, so its oxygen atom, being slightly negative, is attracted to the positive sodium ions. Several water molecules can bind to a single sodium ion, creating a sphere of hydration. Likewise, water’s hydrogen atoms are slightly positive and are attracted to the negative chloride ions, again creating a sphere of hydration around the chloride ions. These hydration shells keep the solute particles separated and dispersed, creating a solution.

A saturated solution of salt water (at room temperature) contains about 26% sodium chloride. If more salt is added, the excess cannot be dissolved into the solution and becomes a precipitate at the bottom. The salt content of the Great Salt Lake in Utah (USA) ranges from 5-27%. The Dead Sea, which is bordered by Israel, Jordan, and the West Bank, has a salt content of ~34%. This is substantially higher than the saturation level of salt in water. The excess salt precipitates out, creating extraordinary salt crystal formations.

A solute’s solubility, or ability to dissolve in water, is crucial for biological functions. For example, proteins and amino acids must be dissolved to gain access to cells. Likewise, sodium, chloride, potassium, and calcium ions (among others) are necessary for cellular function. Proteins, ions and other nutrients are dissolved in the blood, which is ~79% water. The kidneys help maintain the proper levels of these dissolved solutes in the blood by removing or adding them during filtration, a process called osmoregulation.

Ein Lösungsmittel ist ein Stoff, der andere Stoffe auflösen kann. Meistens sind Lösungsmittel Flüssigkeiten. Die Substanz wird hier als gelöster Stoff bezeichnet. Wenn sich ein Lösungsmittel und ein gelöster Stoff verbinden, bilden sie eine Lösung. Auf molekularer Ebene ist diese Lösung eine homogene Mischung aus Lösungsmittel und gelöstem Stoff. Wasser ist ein universelles biologisches Lösungsmittel. Seine polare Struktur erlaubt es, viele andere polare Verbindungen aufzulösen. Die Lösungsfähigkeit des Wasser wird durch ein Gleichgewicht zwischen den Wassermolekülen verursacht, die sich untereinander und mit dem gelösten Stoff verbinden.

Eine gesättigte Lösung enthält die maximale Menge eines löslichen Stoffes. Zum Beispiel wird Salz (NaCl) leicht in Wasser gelöst, wodurch Salzwasser oder Kochsalzlösung entsteht. Es löst sich, weil Salz in seine jeweiligen Ionen Natrium (Na+) und Chlorid (Cl-) dissoziiert. Da Wasser polar ist, wird sein leicht negatives Sauerstoffatom von den positiven Natriumionen angezogen. Mehrere Wassermoleküle können sich an ein einzelnes Natriumion binden, wodurch eine Hydrathülle entsteht. Ebenso sind die Wasserstoffatome des Wassers leicht positiv und werden von den negativen Chloridionen angezogen. So entsteht wiederum eine Hydrathülle um die Chloridionen herum. Diese Hydrathüllen halten die gelösten Partikel getrennt und dispergiert. So entsteht eine Lösung.

Eine gesättigte Lösung von Salzwasser enthält bei Raumtemperatur etwa 26% Natriumchlorid. Wird mehr Salz zugegeben, kann der Überschuss nicht mehr in der Lösung aufgelöst werden und setzt sich am Boden als Niederschlag ab. Der Salzgehalt des Great Salt Lake in Utah (USA) liegt bei 5-27%. Im Toten Meer, das an Israel, Jordanien und das Westjordanland grenzt, liegt der Salzgehalt des Wassers bei ~34%. Dies ist wesentlich höher als der Sättigungsgrad des Salzes im Wasser. Das überschüssige Salz fällt aus und bildet außergewöhnliche Salzkristallformationen.

Die Löslichkeit einer Stoffes bzw. die Fähigkeit, sich in Wasser zu lösen, ist entscheidend für grundlegende biologische Funktionen. Beispielsweise müssen Proteine und Aminosäuren gelöst werden, damit sie in Zellen gelangen können. Ebenso sind Natrium-, Chlorid-, Kalium- und Kalziumionen (u.a.) für wichtige Zellfunktionen notwendig. Proteine, Ionen und andere Nährstoffe befinden sich im Blut, das zu ~79% aus Wasser besteht. Die Nieren helfen, den richtigen Gehalt dieser gelösten Stoffe im Blut aufrechtzuerhalten, indem sie sie während der Filtration Stoffe entfernen oder hinzufügen. Dieser Prozess wird Osmoregulation genannt.

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