Chemische Lösung

Lösen von Kochsalz in Wasser

Eine Lösung ist in der Chemie ein homogenes Gemisch, das aus zwei oder mehr chemisch reinen Stoffen besteht. Sie enthält einen oder mehrere gelöste Stoffe (die Solute) und ein Lösungsmittel (das in der Regel selbst flüssig ist, eine Lösung sein kann, und meistens in größerer Menge vorhanden ist als der in ihm gelöste Stoff). Der gelöste Stoff kann fest, flüssig oder gasförmig sein.

Lösungen sind rein äußerlich nicht als solche erkennbar, da sie per definitionem nur eine Phase besitzen, daher die gelösten Stoffe gleichmäßig im Lösungsmittel verteilt und nicht abfiltrierbar sind.

Eigenschaften von Lösungen

Die Eigenschaften einer Lösung sind gleichermaßen von den gelösten Stoffen und dem Lösungsmittel abhängig. Die meisten Eigenschaften ändern sich in deutlicher Abhängigkeit von der Konzentration der gelösten Substanz. Dies gilt z. B. für die Farbintensität von Lösungen farbiger Substanzen (Lambert-Beersches Gesetz), für die Viskosität, für die elektrische Leitfähigkeit von Ionenlösungen oder für die Brechzahl. Deshalb lassen sich solche Eigenschaften analytisch zur Messung der Konzentration und zur Gewinnung von Gehaltsangaben heranziehen. Kolligative Eigenschaften von Lösungen sind die Eigenschaften, deren Änderungen nur von der Anzahl gelöster Teilchen abhängen, nicht von deren chemischen Eigenschaften. Hierzu gehören die Erniedrigung von Dampfdruck und Erstarrungstemperatur sowie die Erhöhung der Siedetemperatur (mit steigender Anzahl gelöster Teilchen). Man unterscheidet zwischen idealen und realen Lösungen. Ideale Lösungen gehorchen z. B. den Raoultschen Gesetzen über die molare Schmelzpunkterniedrigung bzw. die molare Siedepunkterhöhung. Reale Lösungen folgen diesen linearen Gesetzen ganz exakt nur bei „unendlicher Verdünnung“ und zeigen bei höheren Konzentrationen einen Sättigungseffekt. Ähnlich ist es mit den anderen oben genannten Eigenschaften von Lösungen.

Die Eigenschaften von Lösungen lassen sich unter physikalischen Gesichtspunkten folgendermaßen einteilen: ^[1]

Kolligativ: Dampfdruckerniedrigung, Siedepunkterhöhung, Schmelzpunkterniedrigung, osmotischer Druck
Additiv: Masse, Volumen, Energie, Enthalpie
Konstitutiv: Viskosität, Brechungsindex
Kombiniert: elektrische Eigenschaften, Grenzflächeneigenschaften, Löslichkeit

Komponenten von Lösungen

Die Lösungsmittel sind üblicherweise Flüssigkeiten. Lösungen mit festen Lösungsmitteln bezeichnet man als Mischkristalle und werden im entsprechenden Artikel abgehandelt.

Die gelösten Stoffe können sein:

gasförmig (z. B. Luftgase wie Sauerstoff und Stickstoff in Wasser, Erdgas in Rohöl, Chlorwasserstoff oder Ammoniak in Wasser, Kohlenstoffdioxid in Sekt oder Mineralwasser),
flüssig (z. B. Alkohol in Wasser, Octan in Ottokraftstoff / Benzin)
fest (z. B. Kochsalz oder Calciumhydrogencarbonat in Wasser, Naphthalin in Hexan)

Löslichkeit

Ob und in welchem Ausmaß ein Stoff in einem bestimmten Lösungsmittel löslich ist, hängt von seiner Löslichkeit ab (Näheres siehe dort). Ist in einer Lösung so viel wie möglich des Stoffes gelöst, nennt man diese Lösung gesättigt. Ist zu viel eines Stoffes enthalten, so bildet sich ein Bodensatz oder der Überschuss bleibt als Sättigung erhalten. Nicht alle Lösungen haben eine Grenze der Löslichkeit. So lassen sich Alkohol und Wasser vollständig ineinander lösen.

Bei Lösungen von Gasen in Flüssigkeiten gilt eine Lösung als gesättigt, wenn ein Diffusionsgleichgewicht zwischen in Lösung gehenden und die Lösung verlassenden Gasmolekülen herrscht. Aus übersättigten Gaslösungen treten aber nur dann Gasblasen aus (wie in Mineralwasser oder Sekt), wenn die Summe der Lösungspartialdrucke aller gelösten Gase größer ist als der mechanische Druck am Ort der Blasenbildung. Eine definitive Grenze des Aufnahmevermögens einer Flüssigkeit für ein Gas gibt es nicht. Die „Löslichkeit“ ist hier vielmehr der Koeffizient, der die gelöste Menge mit dem aufgewendeten Gasdruck in Relation setzt.

Trennen von Lösungen

Beim Lösen von Stoffen ist der gelöste Stoff meist wieder leicht extrahierbar, da bei einer Lösung vordergründig keine chemische Reaktion statt zu finden scheint.

Tatsächlich wird beim Lösen von Salzen sehr wohl die Ionenbindungen des Kristalls gelöst als auch Hydrathüllen von Wassermolekülen um die Ionen gebildet (Hydratation). Viele Metallionen bilden mit den Wassermolekülen sogar recht stabile Komplexkationen (z. B. Hexaaquaeisen(III)). Die genannten Bindungsknüpfungen müssen vollkommen reversibel sein, wenn ein Substanzgemisch als Lösung gelten soll.

Auch beim Lösen von gasförmigen Säure- oder Baseanhydriden kommt es zu einer Reaktion. Chlorwasserstoff löst sich und dissoziiert sofort fast vollständig in Chloridionen und Wasserstoffionen, die sich ihrerseits sofort mit Wasser zu Oxonium verbinden. Kohlenstoffdioxid bleibt dagegen zum überwiegenden Teil als Gas gelöst. Ein geringer Teil bildet aber mit dem Wasser Kohlensäure, die ihrerseits zu Hydrogencarbonat, Carbonat und Oxonium dissoziiert. Auch diese Reaktionen sind vollkommen reversibel, d. h. die Lösungen sind ohne zusätzliche Reagenzien wieder trennbar.

Trennen von festen Stoffen in Flüssigkeiten

Verdampfen des flüssigen Reinstoffes bewirkt, dass die Lösung nach und nach übersättigt wird und der Feststoff auskristallisiert, soweit es sich um die Lösung eines begrenzt löslichen Stoffes handelt. Bei vollständigem Verdampfen bleibt der Feststoff am Ende als Bodensatz erhalten.

Es gibt Lösungen von „Feststoffen“ wie z. B. Calciumhydrogencarbonat, die beim Eindicken der Lösung zerfallen und deshalb als Trockensubstanz gar nicht existieren. In diesen Beispiel entsteht ein Rückstand aus Calciumcarbonat, während Kohlenstoffdioxid zusammen mit dem Wasser verdunstet.

Eine technisch zunehmend genutzte Möglichkeit ist die Umkehrosmose. Hierbei wird die Lösung durch eine semipermeable Membran gepresst, die Ionen und größere Moleküle nicht passieren lässt. Diese Technik wird vor allem zur Wasseraufbereitung und insbesondere zur Meerwasserentsalzung verwendet.

Trennen von Flüssigkeitsgemischen

Flüssigkeiten lassen sich (nie vollständig) durch fraktionierte Destillation trennen. Man nutzt dabei die unterschiedlichen Siedepunkte der beteiligten Substanzen. Da aber ein geringerer Dampfdruck der höher siedenden Flüssigkeit auch schon beim Sieden der flüchtigeren Substanz herrscht, geht immer ein geringer Anteil von ihr mit über. So lässt sich durch Destillation Alkohol nur bis ca. 96 % Reinheit gewinnen. Man spricht bei einem solchen Gemisch von einem Azeotrop.

Trennen von Gas und Flüssigkeiten

Erhitzen der Lösung führt zum Entweichen des Gases, da seine Löslichkeit mit steigender Temperatur abnimmt. Vollständig aus der Lösung vertreiben lässt sich ein gelöstes Gas aber nur durch das Sieden der Flüssigkeit, weil dann der Dampfdruck den mechanischen Druck erreicht und Blasen bildet, mit denen das Gas vollständig ausgetrieben wird, da der Partialdruck des Lösungsmittels in diesen Blasen letztlich 100 % des Drucks in den Blasen einnimmt.

Gase können einander auch aus der Lösung „verdrängen“. Dazu muss man die Lösung eines beliebigen Gases A in Kontakt mit einem beliebigen Gas B bringen, z. B. durch sprudeln. Es kommt dann zu einem Diffusionsvorgang zwischen den Blasen des Gases B und der Lösung des Gases A, bei der notwendigerweise immer mehr B in Lösung geht und immer mehr A die Lösung verlässt. Die „Verdrängung“ hat also nichts mit unterschiedlicher Löslichkeit zu tun. Man spricht zutreffender von einer „Strippung“. Das Aussieden eines Gases aus seiner Lösung ist im Prinzip auch ein solcher Strippungsvorgang.

Legierungen

Auch Metallschmelzen stellen meistens Lösungen dar und werden als Legierungen bezeichnet. Dabei sind mehrere Metalle oder Nichtmetalle in einer Hauptkomponente gelöst; beispielsweise bestehen manche Stahlschmelzen aus einer Lösung von Chrom, Vanadium, Kohlenstoff in Eisen.

Glas

Gläser können, da es sich bei ihnen um unterkühlte Flüssigkeits-Gemische handelt, auch als Lösungen aufgefasst werden.

Grenzfälle

Die Auflösung eines Metalls in einer Säure ist kein Lösungsvorgang im eigentlichen Sinne, da hierbei eine chemische Reaktion auftritt.

Es gibt aber auch Grenzfälle, in denen eine reversible chemische Reaktion und gleichzeitig ein Lösungsvorgang stattfindet. Beispiele sind

die Auflösung von Natrium in flüssigem Ammoniak.
die Lösung von Kohlenstoffdioxid in Wasser, wobei sich ein Gleichgewicht mit der Bildung von Kohlensäure und deren Dissoziationsprodukten (Hydrogencarbonat- und Carbonat-Ionen) ausbildet, das wieder verschwindet, wenn das Kohlenstoffdioxid die Lösung verlässt (z. B. durch Ausblasen mit einem anderen Gas).