Lösungen und Konzentration

Wenn du einen Löffel Zucker in ein Glas Wasser gibst und umrührst, verschwindet der Zucker scheinbar. Auf Teilchenebene passiert dabei Folgendes: Die Wasser-Teilchen umschließen einzelne Zucker-Teilchen und lösen sie aus dem festen Kristallverband. Die Zucker-Teilchen verteilen sich danach gleichmäßig zwischen den Wasser-Teilchen, ohne dass neue Stoffe entstehen – der Zucker ist noch da, nur unsichtbar fein verteilt.

Man nennt den Stoff, der sich löst, den gelösten Stoff, und den Stoff, in dem er sich löst, das Lösungsmittel. Wasser ist mit Abstand das wichtigste Lösungsmittel, weil seine Teilchen viele andere Stoffe, besonders Salze und Zucker, sehr gut umschließen können. Das Ergebnis heißt Lösung: ein einheitliches, klares Gemisch, bei dem sich der gelöste Stoff mit bloßem Auge nicht mehr vom Lösungsmittel unterscheiden lässt.

Nicht jeder Stoff löst sich in jedem Lösungsmittel gleich gut. Kochsalz löst sich hervorragend in Wasser, aber kaum in Speiseöl. Fett dagegen löst sich kaum in Wasser, aber gut in Öl oder Benzin. Diese unterschiedliche Löslichkeit hängt vom Aufbau der Teilchen ab und wird später bei den chemischen Bindungen genauer erklärt.

Ein häufiger Fehler ist, das Volumen der Lösung mit dem Volumen des Lösungsmittels zu verwechseln. Bei der Formel c = n / V steht V für das Endvolumen der fertigen Lösung, nicht für die Menge Wasser, die man ursprünglich in den Messkolben gegeben hat. Deshalb wird beim Ansetzen einer Lösung immer erst der Feststoff eingewogen und gelöst, danach wird mit Wasser bis zur Markierung aufgefüllt, nicht umgekehrt.

Ein zweiter Fehler ist, Einheiten beim Rechnen zu vermischen, etwa Milliliter statt Liter oder Milligramm statt Gramm einzusetzen, ohne umzurechnen. Da die Konzentration meist in mol/l angegeben wird, muss das Volumen zuerst in Liter umgerechnet werden, sonst ergibt sich eine um den Faktor 1000 falsche Stoffmenge.

Ein dritter Fehler ist die Annahme, eine gesättigte Lösung enthalte immer dieselbe Menge gelösten Stoff, unabhängig von der Temperatur. Tatsächlich ändert sich die Löslichkeit der meisten Feststoffe mit der Temperatur, eine bei 20 °C gesättigte Lösung kann beim Erwärmen zusätzlichen Stoff aufnehmen.

Konzentrationsangaben begegnen dir ständig, auch außerhalb der Chemiestunde. Der Alkoholgehalt eines Getränks in Prozent ist eine Konzentrationsangabe, ebenso die Angabe „0,9 % Kochsalzlösung“ auf einer Infusion im Krankenhaus, die der Konzentration von Salzen im menschlichen Blut entspricht. Auch Reinigungsmittel werden oft in einem bestimmten Verhältnis mit Wasser verdünnt, damit die Konzentration der Wirkstoffe stimmt.

In der Medizin ist die richtige Konzentration von Medikamenten und Infusionslösungen lebenswichtig: Zu konzentrierte Lösungen können Zellen schädigen, zu stark verdünnte wirken nicht ausreichend. Auch beim Schwimmbad-Chlor oder bei Düngemitteln im Garten ist die Konzentration entscheidend, denn zu hohe Werte können schädlich sein, während zu niedrige Werte wirkungslos bleiben.

Verdünnt man eine Lösung, indem man Wasser hinzugibt, bleibt die Stoffmenge des gelösten Stoffs gleich, nur das Volumen wächst. Da die Konzentration c = n / V ist, sinkt sie beim Verdünnen, weil der Nenner größer wird, während der Zähler unverändert bleibt. Verdoppelt man das Volumen durch Wasserzugabe, halbiert sich die Konzentration.

Bei Gasen verhält sich die Löslichkeit in Wasser genau umgekehrt zu der von Feststoffen: Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff und andere Gase lösen sich in kaltem Wasser besser als in warmem. Deshalb schäumt eine warme Limonade beim Öffnen stärker über als eine kalte, das gelöste Kohlenstoffdioxid entweicht bei Wärme schneller. Aus demselben Grund enthält kaltes Wasser mehr gelösten Sauerstoff als warmes, was für Fische im Sommer zum Problem werden kann.