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Aufgabensammlung für das Fach Chemie in der Schule

Warum lösen sich einige Stoffe in Wasser, andere aber nicht?
Was ist ein Lösungsvorgang?

Solvatation
Damit sich ein Stoff in einem Lösungsmittel löst, müssen die Lösungsmittelmoleküle die Moleküle des zu lösenden Stoffes einhüllen. Diesen Vorgang bezeichnet man allgemein als Solvatation.

Voraussetzung für die Solvatation ist eine Wechselwirkung zwischen Lösungsmittelmolekülen und zu lösendem Stoff. Diese beruht auf zwischenmolekularen Kräften. Dazu muß die Polarität beider Stoffe ähnlich sein: „Gleiches löst sich in Gleichem“ (Similia similibus solvuntur). Wenn die Polaritäten von Lösungsmittel und zu lösendem Stoff zu unterschiedlich sind, wird der Lösungsvorgang verhindert: Die Kräfte zwischen den Lösungsmittelmolekülen untereinander oder den Molekülen (Ionen) des zu lösenden Stoff sind dann so groß, daß eine Wechselwirkung zu dem anderen Stoff nicht in Frage kommt.

 Beim Lösungsvorgang werden die Kräfte zwischen den Molekülen oder Ionen des zu lösenden Stoffes aufgehoben. Jedes Molekül (Ion) wird durch Lösungsmittelmoleküle eingehüllt. Beim Wasser nennt man diese „Hydrathülle“.

  Sind die Kräfte zwischen den Molekülen oder Ionen des zu lösenden Stoffes sehr groß (s. u.), erfolgt keine Lösung.

Unpolare Stoffe:
Zwischen den Molekülen unpolarer Stoffe wirken van der Waals Kräfte. Diese beruhen auf induzierten Dipolen und sind nur schwach. Entsprechend werden unpolare Stoffe auch nur von unpolaren Lösungsmitteln gelöst. Für die Solvatation sorgen die van der Waals Kräfte.

Polare Stoffe:
Zwischen den Molekülen polarer Stoffe wirken die Dipolkräfte. Im Unterschied zu den van der Waals Kräften beruhen diese auf permanenten Dipolen. Weil diese Dipole also immer bestehen, sind die Dipolkräfte auch viel stärker. Entsprechend können solche Moleküle auch nur durch polare Lösungsmittel solvatisiert werden.

Sonderfall Wasser – Hydratation
Das wichtigste Lösungsmittel ist das Wasser, die Einhüllung durch Wassermoleküle bezeichnet man als Hydratation. Als Besonderheit liegt zwischen den Wassermolekülen, die auf Grund der großen EN-Differenz zwischen H und O sehr starke Dipole sind, als zwischenmolekulare Kräfte die Wasserstoffbrückenbindung vor. Diese Kraft ist stärker als die Dipolkraft, weil sie durch eine Wechselwirkung zwischen dem positiv polarisierten Wasserstoff und einem freien Elektronenpaar des Sauerstoffs eines anderen Wassermoleküls zustande kommt. Solche Wasserstoffbrückenbindungen bilden sich dann bei entsprechender Polarität zwischen dem Wassermolekül und dem gelösten Stoff aus. Wasser ist ein sehr polares Lösungsmittel.

Energetische Betrachtung
Ein Lösungsvorgang läßt sich in zwei Stufen aufteilen:
1. Die Trennung der Moleküle des zu lösenden Stoffes
Diese Trennung erfordert einen Energieaufwand, ist also endergonisch (endotherm). Dabei muß die Bindungsenergie zwischen Ionen oder die Energie der zwischenmolekularen Kräfte zwischen Molekülen aufgewendet werden.

2. Die Solvatation oder Hydratation der getrennten Moleküle oder Ionen
Bei diesem Vorgang wird Energie frei, da er freiwillig eintritt, also exergonisch ist. Daß dieser Vorgang exergonisch ist, versteht man leichter, wenn man sich klar macht, daß man Energie benötigt, um die Solvatation wieder aufzuheben. Man muß nämlich entgegengesetzte Ladungen trennen.

Unter Berücksichtigung dieser beiden Stufen kann man das Lösungsverhalten von Stoffen jetzt energetisch begründen:

1. Die Bindungsenergie ist viel größer als die Solvatationsenergie
Der Stoff löst sich in dem betreffenden Lösungsmittel nicht.

2. Die Bindungsenergie ist wenig größer als die Solvatationsenergie
Der Stoff löst sich endotherm. Die Lösung kühlt also ab.

3. Bindungsenergie und Solvatationsenergie sind annähernd gleich.
Eine Wärmetönung ist beim Lösungsvorgang ncht (kaum) festzustellen.

4. Die Bindungsenergie ist kleiner als die Solvatationsenergie
Der Lösungsvorgang ist exotherm.

Rückschlüsse aus Lösungsversuchen
Lösungsversuche geben Aufschluss über die Polarität des gelösten Stoffes und damit über die Molekülstruktur.

Löst sich ein Stoff in Wasser, ist er polar. Er besteht entweder aus Ionen oder polarisierten Molekülen. Beispiele: NaCl, HCl, NH3

Löst sich ein Stoff in Benzin, ist er unpolar. Er ist aus unpolarisierten Molekülen aufgebaut. Beispiele: Paraffin, Öl

Löst sich ein Stoff in Wasser und Benzin, verfügt er über einen polaren und einen unpolaren Teil in seinem Molekül. Beispiele: Ethanol, Methanol, Aceton

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