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Transkript Lösungsvorgang von Salzen

Herzlich willkommen. In diesem Video wollen wir uns mal anschauen, welche Vorgänge beim Lösen eines beliebigen Salzes im Lösungsmittel Wasser ablaufen. Also wir wollen die Frage beantworten, was denn eigentlich genau beim Lösen passiert, aus welchen einzelnen Teilschritten besteht der Lösungsvorgang und wir wollen am Ende die Frage beantworten, warum das Lösen eines beliebigen Salzes in manchen Fällen mit einer Abkühlung der Lösung verbunden ist, in anderen Fällen wiederum mit einer Erwärmung der Lösung. Also warum sind manche Lösungsvorgänge exotherm und andere endotherm? Diese Frage wollen wir am Schluss beantworten können.

Gut, wir beginnen am Anfang, praktischerweise, und da liegt unser Salz, das zu lösen ist, natürlich noch als Feststoff vor, also ungelöst. Salze bilden Kristalle, und in Kristallen sind die jeweiligen Ionen, also Kationen und Anionen des Salzes, in ganz bestimmten Gittern verbaut. Welches Gitter da nun sozusagen direkt gebildet wird, das hängt von der Natur der jeweiligen Ionen ab. Ich habe hier mal ein ganz schematisches Gitter aufgemalt. Welches Salz das nun ist, das ist völlig egal. Es geht einfach, wie gesagt, bloß um das Prinzip. Betrachten wir das Bild mal ein bisschen genauer. Es besteht in der Mitte aus einem großen blauen Ball oder einer großen blauen Kugel. Und diese blaue Kugel, die soll im Grunde das Anion verdeutlichen. Blaue Farbe wegen der negativen Ladung. Die Größe hat was damit zu tun, dass die Anionen in der Regel größer als Kationen sind. Hier sehen wir dann um dieses Anion noch einen Würfel gemalt und an allen Ecken des Würfels, da sitzt sozusagen noch eine rote Kugel, die etwas kleiner ist. Und diese roten Kugeln, das sind dann natürlich die Kationen. Ja, rote Farbe, positive Ladung und Kationen sind auch in der Regel kleiner als die jeweiligen Anionen. Wir sehen hier, dass dieses Anion in der Mitte von 8 Kationen umgeben ist. Also wir sehen im Grunde nur 7, aber 1 Kation befindet sich natürlich hier noch in der verdeckten Würfelecke hinten links, wenn man so möchte. Jetzt haben wir das Gitter also mal etwas genauer betrachtet. Das heißt, wir wissen jetzt schon mal, wie unser Salz, in fester Form sozusagen, aufgebaut ist. Eben in dieser Gitterstruktur. Es besteht aus diesen einzelnen Ionen. Die Ionen werden dann durch die elektrostatische Anziehung zusammengehalten. Also die Anziehung resultiert aus den Ladungsunterschieden zwischen den einzelnen Ionen und so ist das Ding dann sozusagen insgesamt stabilisiert. Die Stabilisierung wird im Grunde durch die Gitterenergie angegeben. Also, es gibt eine Gitterenergie, und die muss sozusagen überwunden werden, damit dieser Kristall sozusagen aufgebrochen wird. Schauen wir uns aber gleich noch mal genauer an. Worauf ich jetzt eigentlich noch mal kurz zu sprechen kommen will, ist das Lösungsmittel. Wir hatten wie gesagt schon die Kenntnis über das Salz, über den Aufbau des Salzes und so weiter. Wir müssen nun natürlich noch das Lösungsmittel betrachten.

Ich hatte schon gesagt, wir betrachten das Lösungsmittel Wasser. Und Wasser sieht erst mal ganz allgemein so aus: Es besteht aus einem Sauerstoffatom mit 2 freien Elektronenpaaren und jeweils noch 2 Bindungen zum Wasserstoff. Jetzt haben diese einzelnen Bindungspartner, also Wasserstoff und Sauerstoff natürlich, gewisse Elektronegativitäten. Innerhalb dieses Moleküls oder innerhalb dieser Bindungen gibt es Elekronegativitätsdifferenzen, was einfach daran liegt, dass es unterschiedliche Stoffe sind. Wie groß genau die Elekronegativitätsdifferenz nun ist, das ist eigentlich relativ nebensächlich. Wichtig ist, dass diese Differenz vorhanden ist. Wir müssen nur wissen, in welcher Richtung sozusagen die Ladungen verschoben sind. Und das kriegen wir raus, indem wir wissen, dass Sauerstoff das elektronegativere Element ist, also auf jeden Fall elektronegativer als Wasserstoff. Demzufolge wird Sauerstoff bestrebt sein, diese kovalenten Bindungselektronenpaare hier an sich zu ziehen. Und das führt dann ganz einfach dazu, dass sich hier am Sauerstoff sozusagen eine negative Partialladung ausbildet. Wenn diese Elektronen hier aus der Bindung durch die Elektronegativität des Sauerstoffes zum Sauerstoff hingezogen werden, bedeutet das natürlich, dass sie vom Wasserstoff weggezogen werden, das ist ja logisch. Das bedeutet im Grunde, dass hier dann ein Elektronenmangel herrscht, und das können wir durch eine positive Partialladung verdeutlichen, das natürlich dann an beiden Wasserstoffen. Wenn man jetzt noch die Beträge dieser Partialladung kurz betrachten will, dann kann man sagen, dass eine positive Partialladung vom Betrag her halb so groß ist, wie diese negative Partialladung. Denn wir haben ja 2 Wasserstoffe, beziehungsweise 2 Bindungen zum Wasserstoff hier vorhanden. Im Endeffekt ist das Wassermolekül natürlich immer elektrisch neutral, egal wo die Ladungen nun hin verschoben sind.

Worauf ich eigentlich hinaus möchte, ist eine weitere schematische Darstellung, nämlich auch von Wasser. Wir hatten hier gesehen, es ist eine Art gewinkelte Struktur. Das kommt durch die Elektronenpaare zustande. Das ist aber jetzt wieder ein anderes Thema. Wichtig ist, wir könnten Wasser theoretisch als so eine Art Dreieck hier aufmalen. Dann haben wir hier an dieser Spitze eine negative Partialladung, denn das ist ja der Sauerstoff. Wir haben das Ding jetzt quasi einfach nur gedreht und die Atome mal rausgelassen. Und an den Ecken, oder an den Enden besser gesagt, da befinden sich positive Partialladungen.

Jetzt haben wir vom Salz, als auch vom Lösungsmittel, eine schematische Darstellung und nun können wir uns mal anschauen, was überhaupt passiert, wenn wir diesen Kristall, also diesen kleinen Würfel dort, mal in eine große Menge Wasser geben. Dann betrachten wir hier ganz einfach mal die Grenzfläche. Also wir gehen davon aus, das dieser Kristall hier an diesen Enden auch zu Ende ist sozusagen, dass es hier an diesen Ecken direkt mit Wasser in Berührung kommt. Und da hier in diesen Ecken natürlich überall positive Ladungsträger sitzen, also Kationen, kommt es auch zu einer bestimmten Orientierung oder Ausrichtung dieser Wassermoleküle. Denn, auch hier wieder Prinzip elektrostatische Anziehung, die Wassermoleküle werden sich halt so orientieren, dass die Spitzen, also die partiell negativ geladenen Abschnitte sozusagen, in Richtung der Kationen weisen. Also anders ausgedrückt, dass die positiven Ladungen möglichst große Entfernungen zum Kation einnehmen, weil sich natürlich gleiche Ladungen abstoßen. Es kommt also zur Ausrichtung dieser Wassermoleküle, eben mit den Spitzen hin zu den Kationen und dann sieht das im Grunde schematisch so aus. Also hier werden sich überall Wassermoleküle rings um den Kristall sozusagen orientieren, und während vorher hier diese Kationen aufgrund der elektrostatischen Anziehung auf ihren Plätzen gehalten wurden, kommt es nun zu einer weiteren Anziehung, aber von außen. Das bedeutet, dass die elektrostatische Anziehung zwischen Anion und Kation abgeschwächt wird und es kommt sozusagen zum Herauslösen, in diesem Fall erst mal vom Kation. Also, durch die Dipol/Ionen-Wechselwirkung kommt es zur Abschwächung dieser elektrostatischen Anziehung innerhalb des Kristallgitters und es werden einzelne Ionen herausgelöst.

Das ist im Grunde schon alles. Ja, ich hatte jetzt bloß die Kationen betrachtet. Wenn man die Anionen betrachtet, dann würden sich die Wassermoleküle auch orientieren, aber natürlich dann andersrum, also mit den positiven Ladungen. Aber das nur am Rande. Wir hatten also gesehen, dass der 1. Schritt des Lösungsvorgangs erst mal daraus besteht, dass durch die Anordnung dieser Wassermoleküle an den Grenzflächen des Kristalls, die elektrostatische Anziehung der Ionen abgeschwächt wird und dass damit ein Herauslösen dieser Ionen möglich ist. Man spricht dann von einer Dissoziation, das Salz dissoziiert sozusagen in die einzelnen Ionen.

Also 1. Schritt des Lösungsvorgangs, das ist die Dissoziation.

Was können wir nun zur Energetik dieses Prozesses sagen? Wir hatten ja gesagt, wir wollen am Ende die Frage beantworten, warum sich manche Lösungen abkühlen, manche Lösungen erwärmen und so weiter. Wir können auf jeden Fall sagen, dass das Herauslösen eines Ions auf jeden Fall einen Energieaufwand bedeutet. Also das ist auf jeden Fall ein endothermer Prozess. Warum auf jeden Fall? Weil sonst dieses Salz als Feststoff bei Raumtemperatur so überhaupt nicht existenzfähig wäre. Also wäre das Ganze ein exothermer Prozess, dieses Zersetzen, diese Dissoziation des Salzes, dann würden keine Gitterformen, keine Kristalle in dem Sinne existieren. Gut, also 1. Schritt ist die Dissoziation. Die ist endotherm, weil die Gitterenergie, das ist sozusagen die Summe aller Anziehungskräfte, wenn man so möchte, überwunden werden muss. Also die Gitterenergie muss überwunden werden, es muss Energie hineingesteckt werden, somit ist das Ganze hier ein endothermer Prozess.

Wenn wir einen 1. Schritt haben, der immer mit einem Energieaufwand verbunden ist, dann bedeutet das, wir müssen irgendwo im Verlauf dieses Lösungsvorgangs noch Schritte haben, die wieder Energie liefern. Weil sonst wäre es nicht möglich, dass sich irgendein Salz halt einfach so auflöst. Also wie man das so kennt, ein Glas Wasser nimmt, Kochsalz reinkippt und dann löst sich ja so und so was. Also da muss man keine Energie reinstecken, da löst sich immer etwas. Und das liegt ganz einfach daran, dass hier noch ein 2. Schritt fehlt. Hier gehe ich jetzt mal anders vor. Hier schreibe ich gleich mal den Schritt an und erkläre ihn dann.

Es kommt dann zu einer sogenannten Solvatisierung der entsprechenden Ionen. Solvenz heißt Lösungsmittel, wenn man so möchte. Und wir betrachten hier das Lösungsmittel Wasser, deswegen können wir sagen, es kommt zu einer Hydratation. Also das ist im Grunde auch bloß eine Solvatation, aber eben mit dem Lösungsmittel Wasser. Während wir beim 1. Schritt erkannt hatten, dass dieser endotherm sein muss, wissen wir nun, dass wir irgendwo einen Schritt brauchen, der Energie liefert. Das ist unser abschließender Schritt sozusagen, die Hydratation. Also der Lösungsvorgang besteht nur aus 2 Schritten. Das bedeutet, wir können hier im Grunde jetzt auch schon mal hinschreiben, dass diese Hydratation ein exothermer Vorgang ist. Also, dass dieser Vorgang mit einem Energiegewinn verbunden ist. Warum ist das nun so? Das liegt ganz einfach daran, dass wir eine Ladung über einen größeren Raum verteilen können. Zeig ich gleich noch mal. Wir haben erst mal ein schematisches Kation, das ist jetzt einfach mal hier so ein kleiner roter Punkt und der ist meinetwegen einfach positiv geladen. Also das ist ein kleiner Punkt, und wenn wir diesen kleinen Punkt, dieses Kation, mal in das Lösungsmittel Wasser geben, das ist ja Grundlage, dann kommt es auch hier natürlich zu einer Ausrichtung dieser Wassermoleküle, diesmal aber ringsrum. Also während die Wassermoleküle hier nur eine Abschwächung der elektrostatischen Anziehung bewirkt haben, werden sie nun dieses ganze Ion sozusagen hier umschließen. Die Spitzen waren negative Ladungen, das heißt, alle Wassermoleküle werden sich mit den Spitzen wieder hier dran orientieren und dann sieht das Ganze schematisch so aus. Also es kommt hier im Grunde zu einer Ausrichtung der Wassermoleküle, die in der Nähe dieses Kations sind. Wie weit das nun geschieht, man nennt das dann Hydrathülle, das hängt im Grunde wieder von der Natur des Kations ab, also zum Beispiel von der Ladung ganz einfach, also wie stark diese Ladung ist.

Was ist nun eigentlich der Effekt? Wir hatten vorher einen relativ kleinen Punkt, beziehungsweise dreidimensional eine relativ kleine Kugel, die mit einer positiven Ladung versehen war. Und nun haben wir rings um diese Kugel noch eine Hydrathülle, also eine Hülle aus weiteren Wassermolekülen. Das bedeutet im Grunde, wir haben die Größe des Kations eben durch die Hydrathülle prinzipiell erhöht. Also, wir haben diese positive Ladung hier in diesem Fall über einen viel größeren Raum verteilt. So kleine konzentriere Ladungen, die sind energetisch anspruchsvoll. Anders ausgedrückt, wenn eine Ladung über einen großen Raum, in einem großen Volumen verteilt ist, dann ist das immer energetisch günstiger. Also der Prozess von hier nach hier, das ist immer mit einem Energiegewinn verbunden. Man spricht dann von einer sogenannten Ion/Dipol-Wechselwirkung. Also in der Mitte das Ion und außenrum die Dipole, das Wasser.

Das wäre im Grunde schon die Hydratation. Wie schreibt man das nun in einer Gleichung auf? Das können wir auch noch ganz kurz betrachten. Wir können diese Hydrathülle nicht immer angeben. Wo wir das zum Beispiel angeben, ist bei Oxoniumionen. Also wir kennen zum Beispiel beim Säure-Base-Begriff nach Brönstedt, wo es um Protonen geht, kennen wir zum Beispiel bei der Säurebildung eigentlich keine Protonen, das ist nur schematisch erlaubt. Man schreibt dann im Grunde die Säure als Oxoniumion H3O+, und dahinter steckt im Grunde auch nur die Aussage, dass auch dieses Proton, wieder durch viele Wassermoleküle umgeben wird. Man spricht dann von einer Art Clusterbildung. Gut. Man schreibt das aber nicht immer dazu, weil es auch eigentlich keinen vernünftigen Grund gibt, warum hier gerade nur 1 Wassermolekül darum sein sollte. Eigentlich sind es auch mehrere, aber egal. Bei irgendwelchen Ionen verdeutlicht man eben diese Unkenntnis über die Hydrathülle dadurch, indem man eben diesen Index aq für Aqua, also für die wässrige Lösung, angibt. Also durch den Index aq wird im Grunde angegeben, dass dieses Ion von einer Hydrathülle umgeben ist.

Damit hätten wir den Schritt der Hydratation mal ein bisschen genauer betrachtet. Ich hatte schon gesagt, die Lösung eines Salzes besteht nur aus diesen 2 Schritten, und um jetzt abschließend den Gesamtprozess zu betrachten, auch aus energetischer Sicht, da müssen wir eine Bilanz aus diesen beiden Teilschritten hier ziehen. Wir wollen wie gesagt eine energetische Betrachtung machen und das bedeutet, wir wollen die Lösungsenthalpie angeben. Und die Lösungsenthalpie die schreibe ich jetzt einfach mal als ΔHL. Also Enthalpie großes H und das L dann sozusagen für die Lösung. Die setzt sich zusammen aus der Dissoziationsenthalpie, wenn man so möchte, oder, wir hatten gesagt, während der Dissoziation muss die Gitterenergie überwunden werden, deswegen können wir auch sagen, setzt sich zusammen aus dem Betrag der Gitterenergie, der aufgebracht werden muss. Das ist, wie gesagt, ein endothermer Vorgang und weiterhin muss betrachtet werden, welcher Energiegewinn durch die Hydratation dazukommt. Und das ist die Hydratationsenthalpie. Da das so ein langes Wort ist, schreibe ich das auch wieder mal als ΔH, also ΔHH für Hydratationsenthalpie. Wir könnten die Gitterenergie auch als ΔHG oder so was in der Richtung dann schreiben.

Also, um die Frage, die ich am Anfang gestellt hatte nach dem Erwärmen und Abkühlen der Lösung, um diese Frage beantworten zu können, müssen wir im Grunde schauen, was sich letztendlich für dieses ΔHL hier ergibt. Also für die Lösungsenthalpie. Wir müssen also schauen, was ist die Bilanz aus beiden Teilschritten. Ok, wie gesagt kann das ganze exotherm oder endotherm sein und wir schauen uns jetzt am besten mal einfach abschließend noch 2 Beispiele an, wo wir eben diese beiden Fälle sozusagen sehen.

Wir betrachten im 1. Fall die Lösung des Salzes Kaliumchlorid, also KCl. Das wird in Wasser gegeben, das schreibe ich jetzt mal über den Reaktionspfeil und es bilden sich Kalium, K+-Ionen in einer Hydrathülle, das gebe ich jetzt gleich mal so an, und natürlich noch Chlorid-Anionen, und die haben natürlich ebenfalls diese Hydrathülle, das wird auch wieder hier so angegeben. Wir wollen jetzt die Bilanz ziehen. Wir müssen im Grunde in Tabellen usw., im Tafelwerk nachschauen und da findet man für die Gitterenergie, die schreibe ich jetzt gleich mal als ΔHG, weil es kürzer ist, findet man einen Wert für Kaliumchlorid und dieser Wert, der beträgt +701kJ/mol. Wir kennen weiterhin die Hydratationsenthalpie. Wir müssen natürlich die Hydratationsenthalpie für beide Ionen betrachten. Fangen wir erst mal beim Kalium an. Hydratationsenthalpie ΔHH für Kalium+-Ionen, die beträgt -308 kJ/mol. Also wir sehen schon, hier ist Energie notwendig, hier wird Energie frei. Und wie gesagt, da fehlt noch das Chloridion, also ΔHH von Cl-, die beträgt -376 kJ/mol. Das war es im Grunde auch schon. Wir müssen jetzt einfach nur noch diese 3 Werte zusammenrechnen, also die Summe bilden. Und wir erhalten für ΔHL, also die Lösungsenthalpie von Kaliumchlorid, den Wert von +17 kJ/mol. Wir sehen hier das Vorzeichen + und das bedeutet, dass dieser Vorgang endotherm ist. Also das bedeutet, beim Lösen von Kaliumchlorid wird sich die Lösung ganz einfach abkühlen. Also es ist mit einer Abkühlung der Lösung verbunden.

Dann schauen wir uns noch mal ein weiteres Beispiel an, wo dann natürlich auch das Gegenteil sozusagen eintritt und das wäre das Salz Calciumchlorid. Da sieht das Ganze wie folgt aus. Wir müssen natürlich auch hier wieder die Bilanz ziehen. Also Calciumchlorid, CaCl2, und das Ganze dissoziiert natürlich wieder ganz genau so im Lösungsmittel Wasser. Diesmal aber natürlich im Calcium2+-Ion und in 2 mol von Chlorid-Anionen. Wir wollen dasselbe Spielchen noch mal spielen. Wir wollen wieder die Bilanz ziehen. Wir betrachten als erstes die Gitterenthalpie ΔHG von Calciumchlorid, wasserfreies Calciumchlorid in dem Fall, und die beträgt 2146kJ/mol. Dann benötigen wir die Hydratationsenthalpie. Wir fangen wieder beim Calcium2+ an, also beim Kation fangen wir wieder an, und die Hydratationsenthalpie für das Calcium2+-Ion, die beträgt -1577kJ/mol. Weiterhin benötigen wir natürlich die Hydratationsenthalpie für unser Chloridion. Aber wir haben diesmal 2mol Chloridion, demzufolge müssen wir diesen Betrag auch zweimal einbinden. Also rechnen wir gleich mal zusammen. Damit das Ganze nicht zu unübersichtlich wird, schreibe ich hier gleich 2×Cl- hin. Die Hydratationsenthalpie hatten wir eben im Fall des Kaliumchlorids schon gegeben. Das ist im Grunde derselbe Wert und wir erhalten demzufolge jetzt einfach das Doppelte, das sind -752kJ/mol. Damit sind im Grunde auch hier alle Schritte abgearbeitet. 1. Schritt war die Dissoziation und der nächste Schritt war die Solvatation, die Hydratation der gebildeten Ionen, und wir erhalten unsere Bilanz, unsere tatsächliche Lösungsenthalpie ΔHL von Calciumchlorid. Die ist wie gesagt, einfach nur noch die Summe und die ist diesmal -183kJ/mol. Also haben wir hier einen Fall kennengelernt, wo die Lösungsenthalpie im Grunde verdeutlicht, dass es sich hierbei um einen exothermen Prozess handelt. Der Wert hier ist auch relativ groß und wir wissen nun im Grunde aus diesen Zahlen, obwohl wir vielleicht mit diesen Sachen noch gar nichts zu tun hatten, das noch nie in Händen hatten, dass das Lösen von Calciumchlorid in Wasser mit einer Wärmeentwicklung verbunden ist, weil es eben ein exothermer Prozess ist. Das kann zum Beispiel dabei helfen, indem man, wenn man denn mal mit diesen Sachen zu tun hat, ein bisschen Vorsicht walten lässt.

Ok, das soll es auch zum Thema gewesen sein, war ja relativ ausführlich. Ich hoffe, dass es halbwegs verständlich war und wünsche noch viel Spaß beim Chemie lernen.

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6 Kommentare
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    Habe 3 mal angekuckt. Es ist so kompliziert und verwirrend erklärt worden. Habe gar nicht verstanden. Der Mann wiederholt sich ständig und benutz dabei neue Begriffe dafür. Für Quereinsteiger das ist nix. Aber im Buch Technische Mathematik gibt es gute Erklärung dafür.

    Von Tbazenov, vor fast 2 Jahren
  2. Default

    gutes viedeo aber wenn er einahtmet stört es richtig wenn man sich konzentrien will

    Von Uta Riechert, vor mehr als 2 Jahren
  3. Default

    Jo... (Y)

    Von Dietmaier, vor etwa 3 Jahren
  4. Default

    Schönes Video :) Aber sind nicht Kationen meisten Grü/blau (POSITIV) und die negativen Anionen bzw generell negative Strukturen ROT? --> Bspw. Physik: Magnetismus, da ist es doch auch so negativ rot, positiv pol blau/grün
    Und die Betonnung beim Segeln entspricht dem auch ;)
    Grüüüüße

    Von Schmi Mue, vor fast 5 Jahren
  5. Default

    ich finde es war schön flüssig

    Von Kevin Siger, vor fast 5 Jahren
  1. Default

    gutes video, wenn man so will :D

    Von Alexmen, vor etwa 5 Jahren
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