Temperaturänderung beim Lösen
Im Rucksack liegt ein Sofortkältepack für das Fußballtraining. Du knickst den Beutel, schüttelst ihn kurz, und nach wenigen Sekunden ist er eiskalt. Im Winter dagegen streut der Winterdienst in Köln Calciumchlorid, und das Eis taut zusätzlich, weil beim Lösen Wärme frei wird. Beides sind Salze, die sich in Wasser lösen. Warum wird es einmal kalt und einmal warm? Am Ende der Seite kannst du das erklären.
Beobachtung: Mal kalt, mal warm
Gibst du ein Salz in Wasser und rührst um, dann verändert sich oft die Temperatur der Lösung. Das misst du mit einem Thermometer im Becherglas.
| Salz | Temperaturänderung beim Lösen | Einordnung |
|---|---|---|
| Kaliumchlorid | Lösung kühlt ab | endotherm |
| Ammoniumnitrat | Lösung kühlt stark ab | endotherm |
| Natriumchlorid (Kochsalz) | fast keine Änderung | nahezu energieneutral |
| Calciumchlorid | Lösung erwärmt sich | exotherm |
| Natriumhydroxid | Lösung erwärmt sich stark | exotherm |
Die Temperaturänderung berechnest du so: $\Delta\vartheta = \vartheta_\text{end} - \vartheta_\text{Anfang}$. Sinkt die Temperatur, ist $\Delta\vartheta$ negativ. Steigt sie, ist $\Delta\vartheta$ positiv.
Löst man Kaliumchlorid in Wasser, kühlt sich die Lösung ab. Löst man Calciumchlorid in Wasser, erwärmt sie sich. a) Gib an, welcher Lösevorgang endotherm und welcher…
Löst man Kaliumchlorid in Wasser, kühlt sich die Lösung ab. Löst man Calciumchlorid in Wasser, erwärmt sie sich.
- a) Gib an, welcher Lösevorgang endotherm und welcher exotherm ist.
- b) Nenne ein Alltagsprodukt, das den Lösevorgang eines Salzes zum Kühlen oder Wärmen nutzt.
In einem Becherglas werden $100\ \text{g}$ Wasser mit einer Anfangstemperatur von $20{,}0\ ^\circ\text{C}$ vorgelegt. Nach dem Lösen von $10\ \text{g}$ Ammoniumnitrat…
In einem Becherglas werden $100\ \text{g}$ Wasser mit einer Anfangstemperatur von $20{,}0\ ^\circ\text{C}$ vorgelegt. Nach dem Lösen von $10\ \text{g}$ Ammoniumnitrat sinkt die Temperatur auf $14{,}5\ ^\circ\text{C}$. Bei Natriumhydroxid steigt sie unter gleichen Bedingungen auf $31{,}0\ ^\circ\text{C}$.
- a) Berechne jeweils die Temperaturänderung.
- b) Ordne beiden Stoffen zu, ob der Lösevorgang endotherm oder exotherm ist.
- c) Erkläre, welcher der beiden Stoffe sich für ein Kühlpack („Sofortkältepack“) eignet.
Zwei Teilschritte: Gitter zerstören, Ionen hydratisieren
Ein Salz besteht aus Ionen, die im Ionengitter durch starke elektrostatische Anziehung zusammengehalten werden. Zum Lösen muss das Gitter zerfallen. Das Wasser hilft dabei, denn Wassermoleküle sind Dipole: Das Sauerstoffatom trägt eine negative Teilladung $\delta^-$, die beiden Wasserstoffatome tragen positive Teilladungen $\delta^+$.
Der Lösevorgang lässt sich in zwei Teilschritte zerlegen:
-
Gitter zerstören: Die Ionen werden aus dem Ionengitter herausgelöst. Dabei müssen die Anziehungskräfte überwunden werden. Das kostet Energie (Gitterenergie, endotherm).
-
Hydratation: Wassermoleküle lagern sich mit ihrer entgegengesetzt geladenen Seite um jedes Ion. Es entsteht eine Hydrathülle. Dabei wird Energie frei (Hydratationsenergie, exotherm).
Beim Lösen eines Salzes in Wasser wird das Ionengitter zerstört, und die Ionen werden von Wassermolekülen umgeben. a) Benenne die beiden Teilschritte des Lösens. b) Gib…
Beim Lösen eines Salzes in Wasser wird das Ionengitter zerstört, und die Ionen werden von Wassermolekülen umgeben.
- a) Benenne die beiden Teilschritte des Lösens.
- b) Gib für jeden Teilschritt an, ob Energie aufgewendet oder freigesetzt wird.
Beschreibe in Worten den Aufbau eines Wassermoleküls $\text{H}2\text{O}$ als Dipol und erkläre, wie sich Wassermoleküle um ein positives Natriumion $\text{Na}^+$ und um…
Beschreibe in Worten den Aufbau eines Wassermoleküls $\text{H}_2\text{O}$ als Dipol und erkläre, wie sich Wassermoleküle um ein positives Natriumion $\text{Na}^+$ und um ein negatives Chloridion $\text{Cl}^-$ anordnen.
Energiebilanz: Wer gewinnt?
Beide Teilschritte laufen gleichzeitig ab. Ob die Lösung kühler oder wärmer wird, hängt davon ab, welcher Betrag größer ist. Aufwand zählt positiv, Freisetzung negativ:
Warum? Das ist Energieerhaltung: Wird mehr Energie frei, als man für das Gitter aufwenden muss, geht der Überschuss als Wärme an das Wasser.
Für ein Salz gilt: Zur Zerstörung des Gitters werden pro Formeleinheit $780\ \text{kJ/mol}$ benötigt (Gitterenergie), bei der Hydratation der Ionen werden…
Für ein Salz gilt: Zur Zerstörung des Gitters werden pro Formeleinheit $780\ \text{kJ/mol}$ benötigt (Gitterenergie), bei der Hydratation der Ionen werden $\ 800\ \text{kJ/mol}$ frei.
- a) Berechne die Lösungsenergie als Summe beider Beträge (Aufwand positiv, Freisetzung negativ).
- b) Entscheide, ob die Lösung sich erwärmt oder abkühlt.
- c) Wie ändert sich das Ergebnis, wenn die Hydratationsenergie nur $760\ \text{kJ/mol}$ beträgt?
Die Wärme messen: Q = c · m · ΔT
Wie viel Wärme das Wasser aufnimmt oder abgibt, berechnest du aus der Temperaturänderung:
Der Zahlenwert in $\text{K}$ ist derselbe wie in $^\circ\text{C}$, denn es kommt nur auf die Differenz an. Das Wasser dient hier als „Wärmemesser“: Gibt es Wärme ab (es kühlt sich ab), hat der Lösevorgang sie aufgenommen.
Bei einem Experiment werden $5{,}0\ \text{g}$ eines Salzes in $50{,}0\ \text{g}$ Wasser gelöst. Die Temperatur sinkt von $22{,}0\ ^\circ\text{C}$ auf…
Bei einem Experiment werden $5{,}0\ \text{g}$ eines Salzes in $50{,}0\ \text{g}$ Wasser gelöst. Die Temperatur sinkt von $22{,}0\ ^\circ\text{C}$ auf $17{,}2\ ^\circ\text{C}$. Die spezifische Wärmekapazität von Wasser beträgt $4{,}19\ \text{J/(g}\cdot\text{K)}$. Vernachlässige die Wärmekapazität des Salzes und des Gefäßes.
- a) Berechne die vom Wasser abgegebene Wärme $Q = c \cdot m \cdot \Delta T$ in Joule.
- b) Beurteile, ob der Lösevorgang endotherm oder exotherm ist, und vergleiche Gitterenergie und Hydratationsenergie betragsmäßig.
- c) Nenne zwei Fehlerquellen des Versuchs, die das Ergebnis verfälschen.
Umkehrung: Kristallisieren
Löst man ein Salz, wird das Gitter abgebaut. Kristallisiert es wieder aus, läuft alles rückwärts: Die Ionen verlieren ihre Hydrathüllen und bauen das Gitter wieder auf. Die Energie, die beim Lösen aufgenommen wurde, wird nun wieder abgegeben, und umgekehrt.
Das nutzt das Wärmekissen (Taschenwärmer) mit Natriumacetat: Die Lösung ist übersättigt und flüssig. Drückst du das Metallplättchen, bilden sich Kristallisationskeime, die Kristalle wachsen und es wird Wärme frei. Der Lösevorgang von Natriumacetat ist endotherm, also ist das Auskristallisieren exotherm. Zum Wiederverwenden erhitzt du das Kissen in heißem Wasser, bis sich alle Kristalle wieder gelöst haben. Dabei führst du die Energie zu, die das Lösen braucht.
Ein Wärmekissen enthält eine Lösung von Natriumacetat. Beim Kristallisieren wird Wärme frei. a) Erkläre, warum das Auskristallisieren das Gegenteil des Lösevorgangs ist,…
Ein Wärmekissen enthält eine Lösung von Natriumacetat. Beim Kristallisieren wird Wärme frei.
- a) Erkläre, warum das Auskristallisieren das Gegenteil des Lösevorgangs ist, und ordne den Wärmeaustausch zu.
- b) Erkläre, weshalb man das Kissen nach Gebrauch in heißem Wasser erwärmt, um es wiederzuverwenden.
Warum sich Salze (nicht) lösen
Kochsalz löst sich in Wasser fast ohne Temperaturänderung. Gitterenergie und Hydratationsenergie sind betragsmäßig fast gleich groß. Trotzdem löst sich NaCl sehr gut, denn die Energie ist nicht allein entscheidend. Beim Lösen wird auch die Unordnung größer: Frei bewegliche, hydratisierte Ionen sind „unordentlicher“ verteilt als im Gitter. Dass die Ionen von Hydrathüllen umgeben und im Wasser verteilt sind, begünstigt das Lösen.
Warum löst sich NaCl nicht in Benzin? Benzin besteht aus unpolaren Molekülen ohne Teilladungen. Sie können keine Hydrathülle (allgemein: Solvathülle) um die Ionen bilden, also wird keine Energie frei, die das Gitter aufbrechen könnte. Es gilt: Ähnliches löst sich in Ähnlichem. Ionenverbindungen lösen sich in polaren Lösemitteln wie Wasser.
Hohe Gitterenergie, schlechte Löslichkeit? Nicht automatisch. Kleine, hoch geladene Ionen (zum Beispiel $\text{Mg}^{2+}$, $\text{O}^{2-}$) ziehen sich im Gitter stark an. Aus demselben Grund binden sie Wassermoleküle besonders fest: Ihre Ladungsdichte ist groß. Beide Beträge steigen also zusammen, und es kommt auf ihr Verhältnis an. Ein Salz löst sich schlecht, wenn die Hydratation das Gitter nicht „bezahlen“ kann, wie bei Calciumcarbonat.
Natriumchlorid löst sich in Wasser nahezu ohne Temperaturänderung, obwohl es ein stabiles Ionengitter besitzt. a) Erkläre, wie das mit dem Verhältnis von Gitterenergie…
Natriumchlorid löst sich in Wasser nahezu ohne Temperaturänderung, obwohl es ein stabiles Ionengitter besitzt.
- a) Erkläre, wie das mit dem Verhältnis von Gitterenergie und Hydratationsenergie zusammenhängt.
- b) Erkläre, warum sich NaCl trotzdem gut löst, obwohl das Gitter stabil ist (Hinweis auf die Unordnung bzw. die Bildung der Hydrathüllen).
- c) Begründe, warum sich Natriumchlorid in Benzin nicht löst.
Eine Mitschülerin behauptet: „Salze mit sehr hoher Gitterenergie lösen sich immer schlecht in Wasser.“ a) Diskutiere die Aussage anhand von Gitterenergie und…
Eine Mitschülerin behauptet: „Salze mit sehr hoher Gitterenergie lösen sich immer schlecht in Wasser.“
- a) Diskutiere die Aussage anhand von Gitterenergie und Hydratationsenergie.
- b) Begründe, warum kleine, hochgeladene Ionen sowohl hohe Gitterenergie als auch hohe Hydratationsenergie haben.
- c) Nenne ein Beispiel für ein schwer lösliches Salz (zum Beispiel Calciumcarbonat im Kalkstein) und erkläre, was dies für Kalkablagerungen im Wasserkocher bedeutet.
Zurück zum Anfang: Das Kältepack nutzt ein Salz wie Ammoniumnitrat, bei dem das Gitter mehr Energie kostet, als die Hydratation zurückgibt (endotherm, Abkühlung). Beim Calciumchlorid ist es umgekehrt (exotherm, Erwärmung).
Auf einen Blick
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Beim Lösen eines Salzes ändert sich die Temperatur: endotherm (Abkühlung) oder exotherm (Erwärmung).
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Der Lösevorgang hat zwei Teilschritte: Das Zerstören des Ionengitters kostet Energie (Gitterenergie, positiv). Die Hydratation der Ionen setzt Energie frei (Hydratationsenergie, negativ).
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$E_\text{Lösung} = E_\text{Gitter} + E_\text{Hydratation}$. Negativ bedeutet exotherm, positiv endotherm.
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Zusatz (über den Kernlehrplan hinaus): Die Wärme im Versuch lässt sich mit $Q = c \cdot m \cdot \Delta T$ berechnen. Fehlerquellen sind Wärmeaustausch mit der Umgebung und die Wärmekapazität des Gefäßes.
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Kristallisieren ist die Umkehrung des Lösens: Die Energie, die beim Lösen aufgenommen wurde, wird beim Auskristallisieren abgegeben, und umgekehrt (Wärmekissen).
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Neben der Energie spielen Unordnung und polare Lösemittel eine Rolle: Ionenverbindungen lösen sich in Wasser, nicht in Benzin.