Aufgaben: Energetik des Lösens

Beim Lösen von Salzen in Wasser kann sich die Temperatur ändern. Kühlpacks (Kältekompressen) enthalten z. B. Ammoniumnitrat, Wärmekissen enthalten z. B. Calciumchlorid.

1. a) Ordne zu, welches Salz beim Lösen Wärme aufnimmt (endotherm) und welches Wärme abgibt (exotherm), wenn sich ein Kühlpack abkühlt und ein Wärmekissen erwärmt.
2. b) Nenne, wie sich die Temperatur der Lösung im jeweiligen Fall ändert.

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.

1. a) Benenne die Energie, die zum Zerstören des Gitters nötig ist.
2. b) Benenne die Energie, die beim Umgeben der Ionen mit Wassermolekülen frei wird.
3. 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 ($\delta^+$).

1. a) Beschreibe, wie sich Wassermoleküle um ein Natrium-Ion ($\mathrm{Na^+}$) anordnen.
2. b) Beschreibe, wie sie sich um ein Chlorid-Ion ($\mathrm{Cl^-}$) anordnen.
3. c) Nenne den Fachbegriff für die entstehende Umhüllung.

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 $20\ ^\circ\mathrm{C}$.

1. a) Berechne die Temperaturänderung $\Delta T$ für jedes Salz.
2. b) Gib an, bei welchem Salz die Gitterenergie größer ist als die Hydratationsenergie und bei welchem kleiner.
3. c) Beschreibe, was bei Salz C über das Verhältnis der beiden Energien ausgesagt werden kann.

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 $220\ \text{g}$.

1. a) Berechne die aufgenommene Wärmemenge $Q = m \cdot c \cdot \Delta T$ in $\text{J}$.
2. b) Entscheide begründet, ob der Lösevorgang endotherm oder exotherm ist.
3. 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 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.

1. a) Berechne die frei werdende Wärmemenge in $\text{kJ}$.
2. b) Berechne die Stoffmenge von $4{,}0\ \text{g}$ $\mathrm{NaOH}$ ($M = 40\ \text{g/mol}$) und die Wärme pro Mol in $\text{kJ/mol}$.
3. c) Erkläre mithilfe von Gitter- und Hydratationsenergie, warum die Lösung warm wird.

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 $-2.290\ \text{kJ}$.

1. a) Berechne die Lösungsenthalpie für beide Salze.
2. b) Ordne begründet zu, welches Salz die Lösung abkühlt und welches sie erwärmt.
3. 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 $2-$, die des Natriumchlorids $1+$ und $1-$.

1. a) Erklären Sie, wie die Ionenladung die Gitterenergie beeinflusst.
2. b) Begründen Sie damit, warum die Hydratationsenergie bei $\mathrm{CaCO_3}$ die Gitterenergie nicht ausgleichen kann.
3. c) Beurteilen Sie, ob man allein aus der Gitterenergie die Löslichkeit eines Salzes vorhersagen kann.

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 $25\ ^\circ\mathrm{C}$.

1. a) Berechnen Sie die Temperatur, die sich theoretisch einstellt, wenn die Wärme nur der Lösung entzogen wird.
2. b) Erklären Sie, warum die tatsächlich gemessene Temperatur etwas höher liegt.
3. c) Vergleichen Sie diese Anwendung mit einem Wärmekissen aus Calciumchlorid, und erläutern Sie auf Teilchenebene, warum beide Salze gegensätzlich wirken.