Lösungen — Konzentration, kolligative Eigenschaften & Raoultsches Gesetz

Eine Lösung in der Chemie ist ein homogenes Gemisch aus einem gelösten Stoff und einem Lösungsmittel. Die meisten Aufgaben zu Lösungen lassen sich dann auf drei Ideen zurückführen: wie viel gelöster Stoff vorhanden ist, wie diese Menge gemessen wird und wie gelöste Teilchen das Verhalten des Lösungsmittels verändern.

Hier hängen Konzentration, kolligative Eigenschaften und das Raoultsche Gesetz zusammen. Die Konzentration sagt dir, wie viel gelöster Stoff vorliegt. Kolligative Eigenschaften erfassen Effekte, die hauptsächlich von der Teilchenzahl abhängen. Das Raoultsche Gesetz verknüpft den Molenbruch mit dem Dampfdruck, wenn sich die Lösung annähernd ideal verhält.

Was eine Lösung in der Chemie ist

In einer Lösung ist der gelöste Stoff die Substanz, die gelöst wird, und das Lösungsmittel ist die Komponente, die das Lösen bewirkt. Salzwasser ist das Standardbeispiel: Salz ist der gelöste Stoff und Wasser ist das Lösungsmittel.

Das entscheidende Merkmal ist die Gleichförmigkeit. Wenn die Probe wirklich eine Lösung ist, hat ein kleiner Teil unter gewöhnlichen Bedingungen dieselbe Zusammensetzung wie ein anderer kleiner Teil. Deshalb unterscheidet sich eine Lösung von einer Suspension oder einem geschichteten Gemisch.

Wie Konzentration gemessen wird

Konzentration ist keine einzelne Formel. Sie ist eine Gruppe von Möglichkeiten, zu beschreiben, wie viel gelöster Stoff im Verhältnis zu einer gewählten Bezugsgröße vorhanden ist.

Drei Maße sind in der Lösungschemie besonders wichtig:

• Molarität, die Liter Lösung verwendet
• Molalität, die Kilogramm Lösungsmittel verwendet
• Molenbruch, bei dem die Stoffmenge einer Komponente durch die Gesamtstoffmenge geteilt wird

Der Nenner ist wichtiger, als viele Lernende erwarten. Die Molarität ist nützlich, wenn in der Aufgabe das Lösungsvolumen gegeben ist. Die Molalität wird oft bei Siedepunktserhöhung und Gefrierpunktserniedrigung verwendet. Der Molenbruch ist die Konzentrationsgröße, die direkt im Raoultschen Gesetz vorkommt.

Warum kolligative Eigenschaften von der Teilchenzahl abhängen

Kolligative Eigenschaften sind Eigenschaften von Lösungen, die hauptsächlich von der Anzahl der gelösten Teilchen abhängen und nicht in erster Linie von ihrer chemischen Identität. In der Einführung in die Chemie funktioniert diese Idee am besten für verdünnte Lösungen und erfordert zusätzliche Vorsicht, wenn Lösungen stark nicht ideal sind.

Die vier klassischen kolligativen Eigenschaften sind:

• Dampfdruckerniedrigung
• Siedepunktserhöhung
• Gefrierpunktserniedrigung
• osmotischer Druck

Die grundlegende Vorstellung ist praktisch. Gelöste Teilchen stören das übliche Verhalten des reinen Lösungsmittels. Dadurch hat die Lösung normalerweise einen niedrigeren Dampfdruck als das reine Lösungsmittel. Diese Änderung hilft zu erklären, warum der Siedepunkt steigt und der Gefrierpunkt sinkt.

Wenn zwei Lösungen dasselbe Lösungsmittel und dieselbe Teilchenkonzentration haben, zeigen sie unter denselben Bedingungen meist ähnliche kolligative Effekte. Wenn ein gelöster Stoff in Lösung mehr Teilchen liefert als ein anderer, kann der Effekt größer sein. Deshalb verursachen gelöste Elektrolyte bei gleicher Stoffmenge des gelösten Stoffs oft größere Änderungen als Nichtelektrolyte.

Wie das Raoultsche Gesetz den Molenbruch mit dem Dampfdruck verknüpft

Das Raoultsche Gesetz ist das einfachste Ausgangsmodell für den Dampfdruck in einer idealen Lösung.

Für den häufigen Fall eines nichtflüchtigen gelösten Stoffs in einem flüchtigen Lösungsmittel gilt:

$$P_{\text{solution}} = X_{\text{solvent}} P^0_{\text{solvent}}$$

Hier ist $X_{\text{solvent}}$ der Molenbruch des Lösungsmittels und $P^0_{\text{solvent}}$ der Dampfdruck des reinen Lösungsmittels bei derselben Temperatur.

Diese Gleichung sagt etwas Einfaches aus: Wenn das Lösungsmittel einen kleineren Anteil der Flüssigkeit ausmacht, stehen an der Oberfläche weniger Lösungsmittelmoleküle zur Verfügung, um in die Dampfphase überzugehen, daher sinkt der Dampfdruck.

Wenn beide Komponenten flüchtig sind und sich die Lösung ideal verhält, wird das Raoultsche Gesetz für jede Komponente einzeln angewendet. Für die meisten ersten Chemieaufgaben ist aber die Version mit einem nichtflüchtigen gelösten Stoff die wichtigere.

Durchgerechnetes Beispiel: Anwendung des Raoultschen Gesetzes

Angenommen, eine wässrige Lösung hat den Molenbruch des Lösungsmittels

$$X_{\text{water}} = 0.90$$

und reines Wasser hat bei derselben Temperatur den Dampfdruck

$$P^0_{\text{water}} = 23.8\ \mathrm{torr}$$

Wenn der gelöste Stoff nichtflüchtig ist und die Lösung als ideal behandelt wird, ergibt das Raoultsche Gesetz

$$P_{\text{solution}} = X_{\text{water}} P^0_{\text{water}} = (0.90)(23.8) = 21.42\ \mathrm{torr}$$

Der Dampfdruck der Lösung beträgt also ungefähr

$$21.4\ \mathrm{torr}$$

Die Dampfdruckerniedrigung ist die Differenz zwischen dem reinen Lösungsmittel und der Lösung:

$$\Delta P = 23.8 - 21.4 = 2.4\ \mathrm{torr}$$

Das ist die zentrale chemische Idee. Ein kleinerer Molenbruch des Lösungsmittels bedeutet einen kleineren Dampfdruck. Dieselbe Änderungsrichtung hilft auch zu erklären, warum Lösungen eine Siedepunktserhöhung und eine Gefrierpunktserniedrigung zeigen können.

Wie die drei Ideen zusammenpassen

Wenn du dir ein kompaktes Gesamtbild merken willst, nimm dieses:

• Die Konzentration sagt dir, wie viel gelöster Stoff vorhanden ist.
• Der Molenbruch ist die Konzentrationsgröße, die direkt in das Raoultsche Gesetz eingeht.
• Die Teilchenzahl bestimmt kolligative Effekte.

Das sind also nicht drei getrennte Themen. Es sind drei Blickwinkel auf dasselbe System.

Häufige Fehler in der Lösungschemie

Alle Konzentrationseinheiten als austauschbar behandeln

Das sind sie nicht. Das Raoultsche Gesetz verwendet den Molenbruch. Viele Beziehungen für Gefrierpunkt und Siedepunkt verwenden die Molalität. Eine Aufgabe zur Herstellung einer Lösung kann die Molarität verwenden.

Die Bedingungen hinter der Vereinfachung vergessen

Das Raoultsche Gesetz ist in der verwendeten Form nur für ideales Verhalten exakt. Auch die einfachsten Beziehungen für kolligative Eigenschaften funktionieren am besten für verdünnte Lösungen. Wenn die Lösung konzentriert oder stark nicht ideal ist, ist die Vereinfachung möglicherweise nur näherungsweise gültig.

Teilchenzahl mit der Anzahl an Formeleinheiten verwechseln

Ein Mol gelöste Glucose ergibt im einfachsten Modell ungefähr ein Mol Teilchen. Ein Mol eines gelösten Elektrolyten kann zu mehr Teilchen führen, wenn er dissoziiert. Das verändert die Größe eines kolligativen Effekts.

Annehmen, dass jeder gelöste Stoff nichtflüchtig ist

Das einfachste Bild des Dampfdrucks setzt voraus, dass der gelöste Stoff nicht wesentlich zum Dampf beiträgt. Wenn beide Komponenten verdampfen, muss das Modell genauer formuliert werden.

Wo Lösungschemie verwendet wird

Lösungschemie brauchst du bei der Laborvorbereitung, bei Aufgaben zu Gefrierpunkt und Siedepunkt, bei Osmose, bei Beispielen mit Frostschutzmitteln, bei Überlegungen zum Dampfdruck und in vielen biologischen oder Umwelt-Systemen mit gelösten Stoffen.

Sie hilft auch dabei, andere Chemiethemen zu ordnen. Die Löslichkeit sagt dir, ob sich unter gegebenen Bedingungen eine Lösung bilden kann. Die Konzentration sagt dir, wie viel gelöst ist. Kolligative Eigenschaften sagen dir, wie sich das Verhalten des Lösungsmittels ändert, sobald die Lösung existiert.

Probiere eine ähnliche Aufgabe zur Lösungschemie

Ändere das durchgerechnete Beispiel so, dass der Molenbruch des Lösungsmittels $0.85$ statt $0.90$ ist, während der Dampfdruck des reinen Lösungsmittels gleich bleibt. Berechne den neuen Dampfdruck und erkläre dann in einem Satz, warum sich der Druck in diese Richtung verändert hat.

Wenn du noch einen weiteren Fall möchtest, versuche deine eigene Variante mit Gefrierpunktserniedrigung oder Konzentrationsumrechnungen und vergleiche, welche Konzentrationseinheit die Aufgabe tatsächlich braucht.