039 – Veränderung der Löslichkeit eines Feststoffs

Die Löslichkeit ist die Eigenschaft, die darüber entscheidet, ob eine Substanz überhaupt in Lösung eingesetzt werden kann, und sie ist die erste Zahl, die ein Chemiker nachschlägt, bevor er eine Zubereitung, eine Aufreinigung oder eine Formulierung entwirft. Sie bestimmt, wie konzentriert ein Reagenz hergestellt werden kann, ob ein Medikament als Sirup oder als Tablette verabreicht werden muss, warum sich Zucker in heißem Tee auc, aber nicht in Eistee, warum sich Kesselstein in einem Wasserkocher bildet, anstatt sich darin aufzulösen, und warum eine Umkristallisation funktioniert: Ein Feststoff wird in heißem Lösungsmittel gelöst und rein zurückgewonnen, wenn die Lösung abkühlt und die Löslichkeit wieder absinkt.

Zwei Faktoren entscheiden über die Antwort. Der erste ist die chemische Natur des gelösten Stoffes und des Lösungsmittels – die Faustregel, dass Gleiches löst sich in Gleichem, was in der Praxis bedeutet, dass ein Lösungsmittel einen gelösten Stoff löst, wenn die Wechselwirkungen, die es eingehen kann, stark genug sind, um das Aufbrechen des Festkörpers zu kompensieren. Wasser ist mit seiner sehr hohen Dielektrizitätskonstanten und seiner Fähigkeit zur Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen ein hervorragendes Lösungsmittel für Ionen und kleine Moleküle, die mit Hydroxygruppen bedeckt sind, und ein schlechtes für ein Polymer, dessen Ketten durch Wasserstoffbrücken aneinander gebunden sind, oder für ein Salz, dessen Gitter zu fest zusammengehalten wird. Der zweite Faktor ist die Temperatur. Der Lösungsvorgang absorbiert oder setzt Wärme frei, und die Richtung dieses Wärmeflusses bestimmt die Richtung, in die sich die Löslichkeit bei Erwärmung der Lösung bewegt: Ein endothermer Lösungsvorgang wird bei höherer Temperatur einfacher, ein exothermer schwieriger. Die meisten Feststoffe in Wasser fallen in die erste Kategorie, aber nicht alle, und die Ausnahmen sind die interessanten Fälle.

In diesem Labor geben Sie einen Feststoff in kleinen, gewogenen Portionen zu 100 ml kaltem Wasser, während ein Magnetrührstab die Lösung in Bewegung hält, bis sich der Feststoff nicht mehr auflöst und beginnt, sich am Boden des Becherglases zu sammeln. Dieser Punkt ist die Sättigung, und die Gesamtmasse, die Sie hinzugefügt haben, definiert die Löslichkeit dieses Feststoffs bei Raumtemperatur. Anschließend erhitzen Sie das Becherglas auf einer Heizplatte auf 75 °C, wobei ein Thermometer in der Flüssigkeit eingespannt ist, beobachten, ob sich der ungelöste Feststoff löst, und zeichnen die Temperatur auf, bei der er verschwindet. Die Wiederholung der gesamten Sequenz mit Kochsalz, Glukose, Kreidepulver, Natriumbicarbonat und Maisstärke liefert fünf sehr unterschiedliche Ergebnisse, und es sind die Unterschiede zwischen ihnen – nicht die Zahlen selbst –, die das Labor aufzeigen soll.

Bildungsziele

Am Ende dieses Labors werden die Schüler in der Lage sein:

Erkennen und Erreichen der Sättigung

• Identifizieren Sie den Punkt, an dem eine Lösung gesättigt ist, und unterscheiden Sie ungelösten Feststoff von einem Feststoff, der einfach noch keine Zeit hatte, sich zu lösen.
• Bestimmen Sie die Löslichkeit eines Feststoffs bei einer gegebenen Temperatur, indem Sie abgewogene Portionen bis zur Sättigung hinzufügen und die zugefügte Masse summieren.
• Die Löslichkeit eines Stoffes wird üblicherweise in Gramm des Stoffes pro 100 Gramm Lösungsmittel (g/100 g) oder in Gramm pro Liter (g/L) bei einer bestimmten Temperatur angegeben, zum Beispiel 36 g/100 g Wasser bei 20 °C. Eine Angabe der Löslichkeit ohne Nennung der Temperatur ist bedeutungslos, da sich die Löslichkeit von Stoffen (fester, flüssiger oder gasförmiger Aggregatzustände) mit der Temperatur drastisch verändert. Bei den meisten festen Stoffen steigt die Löslichkeit mit zunehmender Temperatur, während sie bei Gasen in der Regel abnimmt. Ohne den Temperaturwert lässt sich der angegebene Wert daher keiner konkreten physikalischen Situation zuordnen.

Die Auswirkung der Temperatur

• Vorhersagen und anschließend beobachten, ob sich ungelöster Feststoff löst, wenn die Lösung auf 75 °C erhitzt wird.
• Setzen Sie die Richtung der Änderung in Beziehung dazu, ob der Lösevorgang Wärme aufnimmt oder abgibt.
• Erklären Sie, warum der Effekt bei einigen Feststoffen groß und bei anderen kaum wahrnehmbar ist.

Der Einfluss der chemischen Natur von gelöstem Stoff und Lösungsmittel

• Wenden Sie das Prinzip „Gleiches löst sich in Gleichem“ an, um vorherzusagen, welche der fünf festen Substanzen sich nennenswert in Wasser lösen wird.
• Erklären Sie die Löslichkeit eines Ionenfeststoffs durch die Hydratation seiner Ionen und die von Glucose durch Wasserstoffbrückenbindungen.
• Erläutern Sie, warum ein Feststoff unlöslich sein kann, ohne chemisch inert zu sein, und warum ein unlöslicher Feststoff dennoch eine messbare, wenn auch winzige Löslichkeit aufweist.

Bedienung des Geräts

• Montieren Sie die Heizplatte, den Magnetrührer, das Stativ sowie die Klammer und positionieren Sie ein Thermometer so in einer Flüssigkeit, dass es die Temperatur der Flüssigkeit und nicht die des Gefäßes misst.
• Wägen Sie nacheinander portionsweise einen Feststoff auf einer elektronischen Waage ein und führen Sie dabei eine fortlaufende Summe.
• Stellen Sie eine Heizplatte auf eine Zieltemperatur ein und messen Sie die Temperatur der Lösung unabhängig vom eingestellten Sollwert der Platte.

Beobachtung, Aufzeichnung und ehrliche Interpretation

• Protokollieren Sie, was in jeder Phase beobachtet wurde, einschließlich des Aussehens des Feststoffs auf dem Boden des Becherglases und aller entwickelten Gase.
• Man muss das Lösen von anderen Prozessen unterscheiden, die ebenfalls dazu führen, dass ein Feststoff verschwindet oder sich verändert, wie zum Beispiel die Zersetzung oder das Quellen eines Stärkekorns.
• Vergleichen Sie die fünf platonischen Körper in einer einzigen Tabelle und ziehen Sie ein Fazit, das alle abdeckt.

Protokoll

1. Wassermessung

Messen Sie mit einem Messzylinder 100 ml kaltes Leitungswasser ab und gießen Sie es in einen 100 ml Becher.

2. Vorbereitung für die Heizung

a) Legen Sie einen magnetischen Rührfisch in den Becher.

b) Stellen Sie den Becher auf die Heizplatte, ohne diese einzuschalten.

3. Installation des Thermometers

Befestigen Sie eine Universalspange am Ständer über der Mitte des Becherglases.

b) Platzieren Sie das Thermometer im Becherglas, indem Sie es mit einer Universal-Klemme fixieren, ohne dass es den Boden berührt.

4. Wiegen von Salz

a) Mit einem Spatel ca. 10 g Kochsalz (Natriumchlorid) in die Pfanne geben.

b) Den Salz in das kalte Wasser des Becherglases gießen.

5. Auflösung von Salz

a) Den Magnetrührer aktivieren, um gut zu mischen.

b) Fügen Sie nach und nach 10-g-Portionen Salz bis zu insgesamt 20 g hinzu, warten Sie jedes Mal auf vollständige Auflösung.

c) Gib weiterhin jeweils 2 g Salz hinzu, bis sich das Salz nicht mehr löst und sich am Boden des Becherglases zu sammeln beginnt.

Notieren Sie die Gesamtmenge an Salz, die in den Becher gegossen wurde, bis zu dem Punkt, an dem sich das Salz nicht mehr auflöst und sich am Boden des Bechers zu sammeln beginnt.

6. Heizung

a) Stellen Sie die Heizplatte auf 75°C ein, um die Lösung zu erwärmen.

b) Beobachten Sie, ob sich das angesammelte Salz bei steigender Temperatur auflöst.

c) Notiere die Temperatur, die das Thermometer in dem Moment anzeigt, in dem sich das Salz vollständig aufgelöst hat.

7. Wiederholung des Experiments

a) Wiederholen Sie dieselben Schritte mit dem Zucker (Glukose), dem Kreidemehl (Kalziumkarbonat), dem Natriumbikarbonat und der Maisstärke (Stärke), um die Löslichkeit dieser Substanzen zu vergleichen.

b) Leeren Sie den Inhalt der Glasgeräte gründlich in den Auffangbehälter und spülen Sie zwischen den Versuchen mit destilliertem Wasser.

c) Bei jedem Feststoff wird die Menge, die Sie dem Wasser im Becherglas zugeben müssen, um eine vollständige Auflösung zu erzielen, von Feststoff zu Feststoff variieren.

Erwartete Ergebnisse

Die fünf Körper geben fünf verschiedene Antworten. Zwei von ihnen lösen sich leicht, eines löst sich mäßig und zwei lösen sich überhaupt nicht – und von den beiden, die sich nicht lösen, verhält sich eines so, dass man es leicht mit dem Lösen verwechseln kann. Die folgende Tabelle zeigt das erwartete Ergebnis für jedes Einzelne unter Verwendung der anerkannten Löslichkeit in Wasser bei 25 °C. Da bei dem Experiment Feststoff zu 100 ml Wasser (etwa 100 g) gegeben wird, können diese Zahlen direkt mit der fortlaufenden Summe verglichen werden, die der Schüler führt; man beachte, dass veröffentlichte Löslichkeitstabellen normalerweise pro 100 g angegeben werden Wasser, nicht pro 100 ml der fertigen Lösung, und für einen so löslichen Feststoff wie Salz ist beides nicht dasselbe.

Warum die Temperatur die Löslichkeit beeinflusst und in welche Richtung. Die Auflösung erreicht das Gleichgewicht, wenn die Änderung der freien Energie null ist, ΔG_Lösung = ΔH_Lösung − TΔS_Lösung = 0. Die Temperaturabhängigkeit der sich daraus ergebenden Löslichkeit s folgt der van-’t-Hoff-Beziehung: ln(s₂/s₁) = −(ΔH_Lösung/R)(1/T₂ − 1/T₁), das eine einfache Aussage enthält: Wenn beim Auflösen Wärme aufgenommen wird, fördert das Erwärmen der Lösung den Auflösungsprozess und die Löslichkeit steigt; wenn beim Auflösen Wärme freigesetzt wird, behindert das Erwärmen den Prozess und die Löslichkeit sinkt. Dieses einzige Vorzeichen bestimmt jeden Eintrag in der letzten Spalte der obigen Tabelle.

Das Ergebnis der Salzberechnung, ausführlich dargelegt. Natriumchlorid ist der Feststoff, den das Protokoll als Erstes berücksichtigt, und er ist bewusst derjenige mit der geringsten Auswirkung. Seine anerkannte Löslichkeit reicht von 35,7 g pro 100 g Wasser bei 0 °C bis zu 39,1 g bei 100 °C – ein Anstieg von weniger als 10 % über den gesamten Flüssigkeitsbereich von Wasser. Interpoliert man auf den im Protokoll festgelegten Sollwert von 75 °C, ergibt sich ein Wert von etwa 38 g / 100 mL; von dem Feststoff, der auf dem Boden eines gesättigten Bechers liegt, gehen also nur etwa 2 g pro 100 mL in Lösung, wenn die Platte eingeschaltet wird. Schüler, die eine dramatische Klärung erwarten, werden enttäuscht sein, und genau diese Enttäuschung ist der springende Punkt: Sie stellt den Kontrast zu Glukose und Bikarbonat her und erklärt, warum Salz nicht durch Umkristallisation aus Wasser gereinigt werden kann, während dies bei vielen anderen Feststoffen möglich ist.

Eine Berechnung, die es wert ist, durchgeführt zu werden – und die es wert ist, falsch zu sein. Einsetzen der Salzwerte in die van ’t Hoff-Gleichung mit ΔH_Lösung = +3,9 kJ/mol, aus T₁ = 298 K bis T₂ = 348 K, ergibt ln(s₂/s₁) = −(3900 / 8,314)(1/348 − 1/298) = 469 × 4,82 × 10⁻⁴ = 0,226, also s₂/s₁ = 1,25 und s₂ ≈ 45 g / 100 mL. Der gemessene Wert liegt bei etwa 38. Die Vorhersage ist um 18 % zu hoch, und der Grund dafür ist eher lehrreich als peinlich: Die van-’t-Hoff-Gleichung geht von einer idealen Lösung mit konstanter Lösungsenthalpie aus, und eine gesättigte Salzlösung – etwa 6 mol/L, bei der jedes Wassermolekül an der Hydratisierung eines Ions beteiligt ist – ist so weit vom Ideal entfernt, wie es eine wässrige Lösung nur sein kann. Der Vergleich der Vorhersage mit dem Messwert ist eine bessere Übung als die Betrachtung eines der beiden Werte für sich allein.

Warum Wasser einige dieser Feststoffe löst und andere nicht. Für einen Ioniefeststoff ist das Lösen ein Wettbewerb zwischen der Gitterenergie, die die Ionen zusammenhält, und der Hydratisationsenergie, die frei wird, wenn Wasser sie umgibt. Wasser gewinnt bei Natriumchlorid, weil seine relative Permittivität von etwa 78 die elektrostatische Anziehung zwischen den getrennten Ionen um fast zwei Größenordnungen schwächt und weil jedes Ion durch eine geordnete Hülle aus Wasserdipolen stabilisiert wird. In Ethanol, dessen relative Permittivität nur etwa 24 beträgt, löst sich dasselbe Salz zu etwa 0,065 g pro 100 ml – etwa fünfhundertmal weniger. Wasser verliert gegen Calciumcarbonat, weil das Gitter ein doppelt geladenes Kation gegen ein doppelt geladenes Anion hält: Das Löslichkeitsprodukt ist K_SP = 3,3 × 10⁻⁹, also ist die Sättigungskonzentration √K_SP = 5,7 × 10⁻⁵ mol/L, was bei 100,09 g/mol 0,6 mg pro 100 mL entspricht – etwa eins zu zweihunderttausend und in einem Becherglas mit abgesetztem Pulver völlig unsichtbar. Glukose löst sich aus einem anderen Grund: Sie ist überhaupt nicht ionisch, aber ihre fünf Hydroxygruppen und ein Ring-Sauerstoff gehen jeweils Wasserstoffbrücken mit Wasser ein, sodass das Molekül ebenso effektiv wie ein Ion solvatisiert wird. Stärke ist aus denselben Glukoseeinheiten aufgebaut, jedoch als Ketten aus Hunderten von ihnen, die innerhalb halbkristalliner Körner durch Wasserstoffbrücken miteinander verbunden sind; Wasser kann die Ketten bei Raumtemperatur nicht trennen, und wenn es beim Erhitzen schließlich in sie eindringt, entsteht eher eine aufgequollene Paste als eine Lösung.

Ein sichtbarer Nachweis, dass etwas gelöst ist. Gelöster Feststoff nimmt Volumen ein. Das scheinbare molare Volumen von Natriumchlorid in Wasser beträgt etwa 16,6 cm³/mol, sodass die zum Sättigen von 100 ml benötigten 36 g (36 / 58,44 = 0,616 mol) dem Flüssigkeitsstand ungefähr 0,616 × 16,6 ≈ 10 ml hinzufügen, wodurch sich der Pegel im Becherglas von 100 ml auf etwa 110 ml erhöht. Ein Schüler, der den Pegelanstieg nicht bemerkt, hat nicht so viel Salz gelöst, wie er denkt – und ein Schüler, der den Anstieg misst, hat eine zweite, unabhängige Messung derselben Größe durchgeführt.

Zusammenfassung der Aufgaben nach Klassenstufen

9. bis 10. Klasse

Konzentration. Beobachtung und Vokabular: gelöster Stoff, Lösungsmittel, gesättigt, löslich, unlöslich, Suspension.

• Fügen Sie Salz in abgewogenen Portionen hinzu, bis es sich nicht mehr löst, und geben Sie die Gesamtemasse als Löslichkeit bei Raumtemperatur an.
• Sortieren Sie die fünf Feststoffe anhand dessen, was im Becherglas zu sehen ist, in lösliche und unlösliche ein und geben Sie an, welche Beweise verwendet wurden.
• Protokollieren Sie, ob sich der Feststoff am Boden auflöst, wenn die Platte auf 75 °C eingestellt ist, und bei welcher Temperatur er verschwindet.
• Zucker löst sich in heißem Wasser besser als in kaltem, weil heißes Wasser eine größere Menge an Zucker aufnehmen kann, bevor es gesättigt wird.

11. Klasse

Konzentration. Quantitativer Vergleich von Feststoffen und Ableitung der Löslichkeit aus der Struktur.

• Tabellieren Sie die Masse, die erforderlich ist, um 100 mL für jeden der fünf Feststoffe zu sättigen, und konvertieren Sie jedes Ergebnis in Gramm pro Liter und in Mol pro Liter, sofern eine molare Masse existiert.
• Ordnen Sie die Feststoffe vor der Durchführung des Experiments anhand ihrer Ionen- oder Molekularstruktur an und vergleichen Sie die Rangliste mit dem Ergebnis.
• Erklären Sie, warum sich das Salzergebnis beim Erhitzen viel weniger verändert als das Glucosenergebnis, im Hinblick auf die beim Lösen absorbierte Wärme.
• Identifizieren Sie, welcher der fünf Feststoffe bei 75 °C keine saubere Löslichkeitsmessung ermöglichen kann, und begründen Sie dies.

12. Klasse / College-Niveau

Konzentration. Thermodynamische Behandlung und Gleichgewichtsberechnung.

• Verwenden Sie die van-’t-Hoff-Gleichung mit $\Delta H$_Lösung = +3,9 kJ/mol zur Vorhersage der Löslichkeit von NaCl bei 75 °C, vergleichen Sie diesen Wert mit dem Literaturwert von etwa 38 g / 100 mL und erklären Sie die Abweichung durch die Nichtidealität bei 6 mol/L.
• Berechnen Sie die Löslichkeit von Calciumcarbonat aus K_SP = 3,3 × 10⁻⁹, drücken Sie es in mg pro 100 ml aus und erklären Sie, warum der in an der Luft offenem Wasser gemessene Wert höher ist.
• Unter Bezugnahme auf die Gleichung $\Delta G = \Delta H - T\DeltaS$ lässt sich erklären, dass ein Prozess spontan abläuft, wenn die Änderung der freien Energie ($\Delta G$) negativ ist. Bei einer exothermen (wärmeabgebenden) Auflösung ist die Enthalpieänderung negativ ($\Delta H < 0$). Wenn dieser Prozess zudem mit einer Abnahme der Entropie verbunden ist ($\Delta S < 0$), wird der Term $-T\DeltaS$ positiv. Bei niedrigen Temperaturen überwiegt der negative $\Delta H$-Term, sodass $\Delta G$ negativ ist und die Auflösung spontan erfolgt. Erhöht man nun die Temperatur ($T$), gewinnt der positive $-T\DeltaS$-Term an Gewicht, wodurch $\Delta G$ ansteigt. Ab einer bestimmten Temperatur wird $\Delta G$ positiv, wodurch der Prozess nicht mehr spontan ablaufen kann. Daher nimmt die Löslichkeit bei einer Erwärmung ab.
• Schätzen Sie die Volumenänderung beim Sättigen von 100 ml Wasser mit NaCl anhand des apparenten molaren Volumens ab und schlagen Sie vor, wie diese genau genug gemessen werden kann, um als Überprüfung für die hinzugefügte Masse zu dienen.

Labor-Grundausstattung

Instrumente

• Elektronische Waage (Auflösung 0,01 g, mit Tariertaste)
• Wägeschale
• Spatel
• Messzylinder (100 mL)
• Becherglas (100 ml) für das Experiment; Bechergläser (50 ml und 500 ml) ebenfalls auf dem Labortisch
• Heizplatte mit Magnetrührer, die sowohl eine Plattentemperatur als auch eine Solltemperatur anzeigt
• Magnetrührstab
• Thermometer
• Laborstativ mit Universalklammer für das Thermometer
• Auffangbehälter zum Entleeren des Bechers zwischen Feststoffen

Produkte

• Natriumchlorid, Kochsalz (Pulver)
• Traubenzucker, Zucker (Puderzucker)
• Natriumhydrogencarbonat, Natron (Pulver)
• Calciumcarbonat, Kreide (Pulver)
• Stärke, Maisstärke (Pulver)
• Leitungswasser, für die 100-ml-Portionen
• Destilliertes Wasser zum Spülen der Glasgeräte zwischen Feststoffen
• Ethanol und Olivenöl stehen auf dem Tisch, werden aber in keinem Schritt dieses Protokolls verwendet, da darin ausschließlich die Löslichkeit in Wasser getestet wird.