Wasser als Lösungsmittel & Transportsystem

Du weisst bestimmt, dass Du gewisse Dinge in Wasser lösen kannst. Zucker oder Salz zum Beispiel lösen sich wunderbar in Wasser, das heisst, wenn Du sie dem Wasser zufügst, verschwinden sie. Natürlich nicht wirklich, es sieht nur so aus, weil die einzelnen Moleküle des zugegebenen Stoffes vollständig von Wassermolekülen umgeben werden und so klein sind, dass Du sie nicht mehr erkennen kannst. Es gibt aber auch Stoffe, die lösen sich nicht im Wasser, auch nach langem Warten oder Rühren. Du würdest beispielsweise nicht erwarten, dass sich ein Stück Metall auflöst, wenn es mit Wasser in Berührung kommt. Aber woran liegt das? Um das besser zu verstehen, ist hier gezeigt, was passiert, wenn man ein wasserlösliches Salz in Wasser (1.) gibt.

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In Wasser gelöste Salze sind in ihre Ionen aufgeteilt, die dann jeweils von einer Schicht Wassermolekülen umgeben sind. Dabei wenden sich den positiv geladenen Ionen die Sauerstoffatome zu, den negativ geladenen Ionen die Wasserstoffatome. Man bezeichnet diese Wasserschicht auch als Hydrathülle und den Prozess als Hydratisierung. Die Orientierung der Wassermoleküle liegt daran, dass der Sauerstoff im Wassermolekül die Elektronen stärker zu sich zieht als der Wasserstoff, damit hat der Sauerstoff im Wassermolekül eine negative, der Wasserstoff eine positive Teilladung. Wasser ist also ein polares Lösungsmittel.

Allgemeiner Ansatz

Wasserlöslichkeit ist nichts anderes als die Mischbarkeit eines Feststoffes mit Wasser. Die Mischbarkeit hängt von den Wechselwirkungen zwischen den Molekülen ab. Betrachtet man ein System ohne Wechselwirkungen, wäre jede Stoffkombination mischbar, denn Stoffe verteilen sich aufgrund der Diffusion im Raum. Wegen der geringen Wechselwirkungen sind deshalb auch alle Gase vollständig mischbar. Bei Flüssigkeiten und Feststoffen sieht das anders aus. Erst wenn die Wechselwirkung mit Wasser ähnlich gross ist, wie die zwischen Molekülen der gleichen Sorte, löst sich ein Stoff. Als polares Molekül wechselwirkt Wasser stark mit anderen polaren Stoffen, denn positive und negative Ladungen ziehen sich an. Salze sind definitionsgemäss immer sehr polar, denn sie bilden eine ionische Bindung aus. Dennoch sind nicht alle Salze gut in Wasser löslich. Das liegt daran, dass manche Salzkristalle sehr stark zusammenhalten bzw. eine hohe Gitterenergie haben. Nur wenn die Hydratationsenergie höher ist als die Gitterenergie, löst sich das Salz.

Löslichkeit von Gasen

Im Wasser sind auch Gase gelöst. Das kann man gut erkennen, wenn man eine Flasche Mineralwasser öffnet. Dort sind die Gase allerdings künstlich hinzugefügt worden. Aber auch im Leitungswasser sind Gase gelöst. Die Löslichkeit von Gasen sinkt in der Regel mit steigender Temperatur. Wenn sich ein Gewässer im Sommer sehr stark erwärmt, kann das deshalb gefährlich für seine Bewohner werden, weil sie dann weniger Sauerstoff zur Verfügung haben. 

Gesättigte Lösung

Auch wenn Zucker und Salz im Wasser sehr gut löslich sind, gibt es einen Punkt, an dem die Lösung gesättigt ist. Das heisst, das Wasser ist ab einem gewissen Verhältnis zum zugegebenen Zucker oder Salz nicht mehr in der Lage, die Teilchen des Stoffes zu umgeben und somit bleibt ein Teil des Zuckers oder Salzes auch optisch für uns sichtbar - er ist nicht vollständig gelöst. Bei anderen Stoffen, welche weniger leicht löslich sind, ist dieser Punkt früher erreicht. Ab dem Punkt, an dem die Lösung gesättigt ist, setzt sich jede weitere zugegebene Stoffportion als sogenannter Bodenkörper ab. Die Lösung über diesem Bodenkörper ist immer noch gesättigt. 

Löslichkeit

Das heisst also, dass sich in einer bestimmten Masse des Lösungsmittels, also hier Wasser, nur eine bestimmte Masse eines Stoffes lösen kann. Diese Grösse nennt sich Löslichkeit. Die Löslichkeit eines Stoffes ist abhängig von Temperatur und Druck. Man gibt also immer an, welche Masse eines Stoffes man bei einer bestimmten Temperatur und unter bestimmtem Druck in einer bestimmten Menge des Lösemittels maximal lösen kann. Lösungen mit einer geringen Menge des gelösten Stoffes bezeichnet man als verdünnte Lösungen. Eine konzentrierte Lösung ist eine Lösung nahe an der Sättigungsgrenze. Bei konzentrierter Salzsäure sind damit 37 % gemeint, in der Praxis wird konzentriert aber oft verwendet, um eine Lösung mit einer vergleichsweise hohen Menge an gelöstem Stoff zu beschreiben. Um den Gehalt eines Stoffes in einer solchen Lösung anzugeben, kann man entweder mit Massen- oder Volumenprozent arbeiten, oder den Gehalt als Quotient aus der Masse des gelösten Stoffes und dem Volumen der Lösung angeben. Diese Grösse nennt man dann Massenkonzentration. Ihre Einheit ist g/l. Eine weitere Möglichkeit ist die Stoffmengenkonzentration, die angibt, wie viel mol eines Stoffes in einem gewissen Volumen gelöst ist. Die übliche Einheit in der Chemie ist hier mol/l.

Wasser als Transportsystem

Unser Blut und unsere Lymphe bestehen hauptsächlich aus Wasser. Somit transportiert es wichtige Stoffe wie Nährstoffe, Sauerstoff oder Vitamine in die Zellen unseres Körpers und Abfallstoffe wieder von diesen weg. Während diesem Vorgang ist Wasser Transport und Lösungsmittel für die Stoffe gleichzeitig.