Energetik des Lösens
Auf dem Weg zum Handballtraining in Dortmund knickt Leon um. Der Trainer drückt ihm ein Kühlpack auf den Knöchel: Er knickt den Beutel, schüttelt ihn kurz, und nach wenigen Sekunden wird er eiskalt. Ganz ohne Kühlschrank. Im Winter nutzt Mia dagegen ein Wärmekissen, das nach dem Knicken warm wird. In beiden Beuteln wird nur ein Salz in Wasser gelöst. Wie kann dasselbe Lösen einmal kalt und einmal warm machen?
Kalt oder warm: endotherm und exotherm
Beim Lösen eines Salzes in Wasser ändert sich oft die Temperatur der Lösung. Das liegt daran, dass Energie zwischen den Teilchen und ihrer Umgebung ausgetauscht wird.
Beispiele aus dem Alltag:
| Salz | Temperatur der Lösung | Vorgang | Anwendung |
|---|---|---|---|
| Ammoniumnitrat $\mathrm{NH_4NO_3}$ | sinkt | endotherm | Kühlpack |
| Calciumchlorid $\mathrm{CaCl_2}$ | steigt | exotherm | Wärmekissen, Streusalz |
| Natriumchlorid $\mathrm{NaCl}$ | fast unverändert | kaum Wärmeumsatz | Kochsalz |
Beim Lösen von Salzen in Wasser kann sich die Temperatur ändern. Kühlpacks (Kältekompressen) enthalten z. B. Ammoniumnitrat, Wärmekissen enthalten z. B. Calciumchlorid.…
Beim Lösen von Salzen in Wasser kann sich die Temperatur ändern. Kühlpacks (Kältekompressen) enthalten z. B. Ammoniumnitrat, Wärmekissen enthalten z. B. Calciumchlorid.
- a) Ordne zu, welches Salz beim Lösen Wärme aufnimmt (endotherm) und welches Wärme abgibt (exotherm), wenn sich ein Kühlpack abkühlt und ein Wärmekissen erwärmt.
- b) Nenne, wie sich die Temperatur der Lösung im jeweiligen Fall ändert.
Zwei Teilschritte: Gitter zerstören, Ionen umhüllen
Ein Salz wie Natriumchlorid besteht aus einem Ionengitter: $\mathrm{Na^+}$- und $\mathrm{Cl^-}$-Ionen ziehen sich stark an. Damit sich das Salz löst, müssen die Ionen aus dem Gitter heraus. Das geht nicht von allein, sondern mithilfe der Wassermoleküle.
Wassermoleküle sind Dipole: Das Sauerstoffatom trägt eine negative Teilladung ($\delta^-$), die beiden Wasserstoffatome tragen positive Teilladungen ($\delta^+$). Deshalb werden sie von Ionen angezogen.
Daraus ergeben sich zwei Teilschritte:
-
Gitter zerstören: Die Ionen werden voneinander getrennt. Dafür muss Energie aufgewendet werden, die Gitterenergie (endotherm).
-
Hydratation: Die freien Ionen werden von Wassermolekülen umhüllt. Dabei wird Energie frei, die Hydratationsenergie (exotherm). Die Umhüllung heißt Hydrathülle, die Ionen sind dann hydratisiert.
Die Anordnung ist logisch: Das positive Ion zieht den negativen Pol der Wassermoleküle an, also das Sauerstoffatom. Das negative Ion zieht die positiven Pole an, also die Wasserstoffatome.
Beim Lösen eines Salzes wie Natriumchlorid ($\mathrm{NaCl}$) in Wasser laufen zwei Teilschritte ab: Das Ionengitter wird zerstört, und die Ionen werden von…
Beim Lösen eines Salzes wie Natriumchlorid ($\mathrm{NaCl}$) in Wasser laufen zwei Teilschritte ab: Das Ionengitter wird zerstört, und die Ionen werden von Wassermolekülen umgeben.
- a) Benenne die Energie, die zum Zerstören des Gitters nötig ist.
- b) Benenne die Energie, die beim Umgeben der Ionen mit Wassermolekülen frei wird.
- c) Gib an, ob jeweils Energie aufgenommen oder abgegeben wird.
Wassermoleküle sind Dipole. Das Sauerstoffatom trägt eine negative Teilladung ($\delta^-$), die Wasserstoffatome tragen positive Teilladungen ($\delta^+$). a)…
Wassermoleküle sind Dipole. Das Sauerstoffatom trägt eine negative Teilladung ($\delta^-$), die Wasserstoffatome tragen positive Teilladungen ($\delta^+$).
- a) Beschreibe, wie sich Wassermoleküle um ein Natrium-Ion ($\mathrm{Na^+}$) anordnen.
- b) Beschreibe, wie sie sich um ein Chlorid-Ion ($\mathrm{Cl^-}$) anordnen.
- c) Nenne den Fachbegriff für die entstehende Umhüllung.
Energiebilanz: Wer gewinnt?
Beide Energien treten immer gemeinsam auf. Welche größer ist, bestimmt das Ergebnis. Wir rechnen die Gitterenergie positiv (aufgenommen) und die Hydratationsenergie negativ (abgegeben). Die Summe ist die Lösungsenthalpie (Lösungswärme) je mol:
$$\Delta H_{\text{L}} = E_{\text{Gitter}} + E_{\text{Hydratation}}$$-
$E_{\text{Gitter}} > |E_{\text{Hydratation}}|$: Es wird insgesamt Energie aufgenommen. Der Vorgang ist endotherm, die Lösung wird kälter.
-
$E_{\text{Gitter}} < |E_{\text{Hydratation}}|$: Es wird insgesamt Energie frei. Der Vorgang ist exotherm, die Lösung wird wärmer.
-
Beide Beträge fast gleich: Die Temperatur ändert sich kaum (wie bei Kochsalz).
Warum lösen sich manche Salze gar nicht?
Die Gitterenergie ist umso größer, je stärker die Ionen sich anziehen. Das hängt vor allem von der Ladung ab: Ionen mit den Ladungen $2+$ und $2-$ (z. B. $\mathrm{CaCO_3}$) ziehen sich viel stärker an als Ionen mit $1+$ und $1-$ (z. B. $\mathrm{NaCl}$). Die Gitterenergie ist dann sehr groß, und die Wassermoleküle können sie mit ihrer Hydratationsenergie nicht ausgleichen. Solche Salze sind praktisch unlöslich. Auch die Ionengröße spielt eine Rolle: Kleine Ionen liegen enger beieinander und ziehen sich stärker an.
In einem Experiment lösen Schüler in einem Gymnasium in Bochum je $10\ \text{g}$ Salz in $100\ \text{mL}$ Wasser (Starttemperatur $20\ ^\circ\mathrm{C}$). Ergebnisse:…
In einem Experiment lösen Schüler in einem Gymnasium in Bochum je $10\ \text{g}$ Salz in $100\ \text{mL}$ Wasser (Starttemperatur $20\ ^\circ\mathrm{C}$). Ergebnisse:
Salz A: Endtemperatur $14\ ^\circ\mathrm{C}$.
Salz B: Endtemperatur $27\ ^\circ\mathrm{C}$.
Salz C: Endtemperatur $20\ ^\circ\mathrm{C}$.
- a) Berechne die Temperaturänderung $\Delta T$ für jedes Salz.
- b) Gib an, bei welchem Salz die Gitterenergie größer ist als die Hydratationsenergie und bei welchem kleiner.
- c) Beschreibe, was bei Salz C über das Verhältnis der beiden Energien ausgesagt werden kann.
Für zwei Salze sind folgende Werte (je mol) gegeben: Salz X: Gitterenergie $+790\ \text{kJ}$, Hydratationsenergie $-784\ \text{kJ}$. Salz Y: Gitterenergie…
Für zwei Salze sind folgende Werte (je mol) gegeben:
Salz X: Gitterenergie $+790\ \text{kJ}$, Hydratationsenergie $-784\ \text{kJ}$.
Salz Y: Gitterenergie $+2.255\ \text{kJ}$, Hydratationsenergie $-2.290\ \text{kJ}$.
- a) Berechne die Lösungsenthalpie für beide Salze.
- b) Ordne begründet zu, welches Salz die Lösung abkühlt und welches sie erwärmt.
- c) Erkläre, warum ein endothermer Lösevorgang trotzdem spontan ablaufen kann (Hinweis: Zunahme der Unordnung der Teilchen).
Calciumcarbonat ($\mathrm{CaCO_3}$) ist in Wasser praktisch unlöslich, Natriumchlorid dagegen gut löslich. Die Ionen des Calciumcarbonats tragen die Ladungen $2+$ und…
Calciumcarbonat ($\mathrm{CaCO_3}$) ist in Wasser praktisch unlöslich, Natriumchlorid dagegen gut löslich. Die Ionen des Calciumcarbonats tragen die Ladungen $2+$ und $2-$, die des Natriumchlorids $1+$ und $1-$.
- a) Erklären Sie, wie die Ionenladung die Gitterenergie beeinflusst.
- b) Begründen Sie damit, warum die Hydratationsenergie bei $\mathrm{CaCO_3}$ die Gitterenergie nicht ausgleichen kann.
- c) Beurteilen Sie, ob man allein aus der Gitterenergie die Löslichkeit eines Salzes vorhersagen kann.
Wärmemenge berechnen
Im Labor misst du die Temperaturänderung der Lösung. Daraus berechnest du die Wärmemenge, die beim Lösen umgesetzt wird:
Das Vorzeichen von $\Delta T$ sagt dir, was passiert ist: $\Delta T < 0$ bedeutet, die Lösung hat Wärme abgegeben (sie wurde kälter), das Salz hat sie aufgenommen (endotherm). $\Delta T > 0$ bedeutet exotherm. Die Masse der Lösung ist die Masse von Salz und Wasser zusammen.
Um Salze zu vergleichen, rechnest du auf ein mol um. Dazu brauchst du die Stoffmenge $n = \dfrac{m}{M}$. Die molare Lösungswärme ist dann $\dfrac{Q}{n}$ in kJ/mol.
Anwendung: Kühlpack und Wärmekissen
Kühlpacks nutzen Salze mit endothermem Lösevorgang, etwa Ammoniumnitrat. Das Salz und das Wasser sind im Beutel getrennt. Knickt man ihn, wird die Trennung durchbrochen, das Salz löst sich und entzieht Wärme. Wärmekissen nutzen Salze mit exothermem Lösevorgang, etwa Calciumchlorid. Aus der Wärmemenge je mol und der eingesetzten Stoffmenge kannst du abschätzen, wie stark sich ein Pack abkühlt.
Zurück zum Anfang: Leons Kühlpack wird kalt, weil sich das Salz endotherm löst: Die Gitterenergie ist größer als die Hydratationsenergie. Mias Wärmekissen wird warm, weil sich das Salz exotherm löst: Die Hydratationsenergie ist größer.
Beim Lösen von $20\ \text{g}$ Salz in $200\ \text{g}$ Wasser sinkt die Temperatur von $22{,}0\ ^\circ\mathrm{C}$ auf $17{,}0\ ^\circ\mathrm{C}$. Die spezifische…
Beim Lösen von $20\ \text{g}$ Salz in $200\ \text{g}$ Wasser sinkt die Temperatur von $22{,}0\ ^\circ\mathrm{C}$ auf $17{,}0\ ^\circ\mathrm{C}$. Die spezifische Wärmekapazität der Lösung wird mit $c = 4{,}2\ \text{J/(g·K)}$ angenommen, die Masse der Lösung mit $220\ \text{g}$.
- a) Berechne die aufgenommene Wärmemenge $Q = m \cdot c \cdot \Delta T$ in $\text{J}$.
- b) Entscheide begründet, ob der Lösevorgang endotherm oder exotherm ist.
- c) Erkläre, warum sich solche Salze für Kühlpacks eignen.
Natriumhydroxid ($\mathrm{NaOH}$) löst sich in Wasser stark exotherm. Ein Schüler löst $4{,}0\ \text{g}$ $\mathrm{NaOH}$ in $100\ \text{g}$ Wasser; die Temperatur steigt…
Natriumhydroxid ($\mathrm{NaOH}$) löst sich in Wasser stark exotherm. Ein Schüler löst $4{,}0\ \text{g}$ $\mathrm{NaOH}$ in $100\ \text{g}$ Wasser; die Temperatur steigt von $20{,}0\ ^\circ\mathrm{C}$ auf $30{,}0\ ^\circ\mathrm{C}$. Nimm für die Lösung $m = 104\ \text{g}$ und $c = 4{,}2\ \text{J/(g·K)}$ an.
- a) Berechne die frei werdende Wärmemenge in $\text{kJ}$.
- b) Berechne die Stoffmenge von $4{,}0\ \text{g}$ $\mathrm{NaOH}$ ($M = 40\ \text{g/mol}$) und die Wärme pro Mol in $\text{kJ/mol}$.
- c) Erkläre mithilfe von Gitter- und Hydratationsenergie, warum die Lösung warm wird.
Ein Hersteller von Sofort-Kühlpacks in Hamburg untersucht Ammoniumnitrat ($M = 80\ \text{g/mol}$). Beim Lösen von $1\ \text{mol}$ in Wasser werden $26\ \text{kJ}$…
Ein Hersteller von Sofort-Kühlpacks in Hamburg untersucht Ammoniumnitrat ($M = 80\ \text{g/mol}$). Beim Lösen von $1\ \text{mol}$ in Wasser werden $26\ \text{kJ}$ aufgenommen. Ein Pack enthält $80\ \text{g}$ Salz; zum Aktivieren werden $200\ \text{g}$ Wasser hinzugegeben (Lösung: $c = 4{,}2\ \text{J/(g·K)}$, $m = 280\ \text{g}$), Starttemperatur $25\ ^\circ\mathrm{C}$.
- a) Berechnen Sie die Temperatur, die sich theoretisch einstellt, wenn die Wärme nur der Lösung entzogen wird.
- b) Erklären Sie, warum die tatsächlich gemessene Temperatur etwas höher liegt.
- c) Vergleichen Sie diese Anwendung mit einem Wärmekissen aus Calciumchlorid, und erläutern Sie auf Teilchenebene, warum beide Salze gegensätzlich wirken.