Löslichkeit und Löslichkeitsprodukt

Eine Lösung ist ein homogenes Gemisch aus mindestens zwei Komponenten: dem Lösungsmittel (Solvens) und einem oder mehreren gelösten Stoffen (Solute). Die gelösten Teilchen sind auf molekularer oder ionischer Ebene fein verteilt; die Komponenten können fest, flüssig oder gasförmig sein.

Beim Lösen eines Salzes in Wasser muss der Ionenverband des Kristalls aufgebrochen werden – hierfür ist die Gitterenergie aufzuwenden. Gleichzeitig lagern sich Wassermoleküle an die Ionen an und bilden Hydrathüllen; dabei wird Hydratationsenergie frei. Ob sich ein Stoff löst, hängt von der Bilanz dieser Energien sowie von der Entropiezunahme beim Lösen ab (vgl. freie Enthalpie).

Die Löslichkeit gibt an, welche maximale Stoffmenge sich bei gegebener Temperatur in einem bestimmten Volumen des Lösungsmittels lösen lässt. Ist diese Grenze erreicht, liegt eine gesättigte Lösung vor.

Bei schwer löslichen Salzen stellt sich zwischen dem ungelösten Feststoff (Bodenkörper) und den gelösten Ionen ein dynamisches Gleichgewicht ein: Lösen und Kristallisation laufen mit gleicher Geschwindigkeit ab, sodass die Ionenkonzentration konstant bleibt. Dieses Gleichgewicht wird durch das Löslichkeitsprodukt beschrieben.

Tipp

Die Löslichkeit eines Stoffes steht in direktem Zusammenhang mit der Solvatations- bzw. Hydratationsenergie. Diese muss ausreichend groß sein, um die Gitterenergie oder die intermolekularen Wechselwirkungen des reinen Stoffes zu überwinden.

Das Löslichkeitsprodukt K_L dient zur quantitativen Beschreibung des Löslichkeitsgleichgewichts schwer löslicher Salze.

Es beschreibt den Gleichgewichtszustand zwischen einem schwer löslichen Feststoff und seinen gelösten Ionen in einer gesättigten Lösung. Formal lässt es sich aus dem Massenwirkungsgesetz ableiten.

Das Löslichkeitsprodukt legt damit die Grenze fest, ab der das Produkt der Ionenkonzentrationen zur Ausfällung eines Feststoffes (Präzipitation) führt.

Dynamisches Gleichgewicht:

Für ein schwer lösliches Salz mit der allgemeinen Formel AB stellt sich folgendes Gleichgewicht ein:

Im dynamischen Gleichgewicht entspricht die Anzahl der Ionen, die aus dem Gitter in Lösung übergehen, exakt der Anzahl der Ionen, die aus der Lösung wieder in das Gitter eingebaut werden. Dabei gelangen stets gleich viele Kationen und Anionen in Lösung, sodass Bodenkörper und Lösung elektrisch neutral bleiben.

Löslichkeitsprodukt:

Durch Anwendung des Massenwirkungsgesetzes erhält man für die obenstehende Reaktion folgende Gleichung:

Da die Aktivität des festen Salzes konstant ist, wird sie in die Gleichgewichtskonstante einbezogen und erscheint folglich nicht explizit im Löslichkeitsprodukt. Dadurch reduziert sich das Massenwirkungsgesetz auf das Produkt der Ionenkonzentrationen. Für K_L ergibt sich somit folgende Gleichung:

Bedeutung: K_L ist temperaturabhängig und definiert die energetische Grenze der Löslichkeit eines schwer löslichen Salzes. Je kleiner K_L ist, desto geringer ist die Löslichkeit des Salzes (direkter Vergleich nur bei Salzen desselben Formeltyps, z.B. AB mit AB).

Merke

Das Löslichkeitsprodukt beschreibt das maximale Produkt der Ionenkonzentrationen, die in einer gesättigten Lösung im Gleichgewicht vorliegen können.

Tipp

Berechnungen zum Löslichkeitsprodukt setzen einen sicheren Umgang mit molaren Massen, Stoffmengen und Konzentrationen voraus (siehe Artikel Stöchiometrie).

Das Löslichkeitsprodukt ist für Salze beliebiger Formeln analog anwendbar. Wichtig ist allerdings, dass die Koeffizienten der Reaktionsgleichungen im Löslichkeitsprodukt als Exponenten der Konzentrationen auftreten, da entsprechend viele Ionen gebildet werden. Für Salze der Formel A_mB_n gilt allgemein:

Beispiele:

Als Fällungsreaktion (Präzipitation) bezeichnet man eine chemische Reaktion in Lösung, bei der gelöste Ausgangsstoffe (Edukte) miteinander reagieren und ein schwer lösliches Produkt bilden, welches als Feststoff (Niederschlag) ausfällt. Dieser Niederschlag wird häufig durch einen Pfeil (↓) gekennzeichnet.

In der Chemie werden Fällungsreaktionen unter anderem zum Nachweis bestimmter Ionen genutzt (z.B. Chlorid-Nachweis mit Silbernitrat).

Eine Fällung tritt dann auf, wenn das Ionenprodukt Q den Wert des Löslichkeitsprodukts K_L überschreitet. Dies kann beispielsweise durch das Mischen zweier Lösungen oder durch eine Erhöhung der Ionenkonzentration (Aufkonzentrierung) erreicht werden.

Ob es zu einer Ausfällung kommt, lässt sich durch den Vergleich des aktuellen Ionenprodukts mit dem Löslichkeitsprodukt ermitteln:

• Q < K_L: ungesättigte Lösung (keine Fällung)
• Q = K_L: gesättigte Lösung (Gleichgewicht)
• Q > K_L: übersättigte Lösung (es kommt zur Fällung)

Die Fällung setzt sich so lange fort, bis das Gleichgewicht wiederhergestellt ist und das Ionenprodukt dem Löslichkeitsprodukt entspricht (Q = K_L).

 Info

Medizinischer Bezug

Die Überschreitung des Löslichkeitsprodukts spezifischer Salze bildet die Grundlage der Nierensteinbildung. Überschreitet das Ionenprodukt Q bestimmter Salze (z.B. Calciumoxalat oder Calciumphosphat) im Urin deren Löslichkeitsprodukt K_L, kommt es zur Ausfällung und Kristallisation.

Vergleichbare Präzipitationsprozesse spielen u.a. auch bei der Genese von Verkalkungen in Geweben und Gefäßen eine Rolle.