Lösungsmittel und Solvatation von Ionen
Wie man Lösungsmittel nach Polarität und Proticität einteilt, warum Wasser Salze so gut löst und was bei Solvatation, Hydratation und Solvolyse passiert.
Das Wichtigste in Kürze
- Ein Lösungsmittel ist die Komponente einer Lösung im Überschuss. Man teilt es nach Polarität und Proticität ein.
- Protisch sind Lösungsmittel mit H an O oder N, etwa Wasser, Methanol, Propan-2-ol, Ethylenglykol, Essigsäure, Formamid und flüssiges \(\ce{NH3}\).
- Polar aprotisch sind Aceton, Acetonitril, DMF, DMSO, NMP, Nitromethan und Nitrobenzen. Toluen, Cyclohexan und \(\ce{CCl4}\) sind unpolar.
- Wasser löst Salze vor allem dank seines Dipolcharakters (Ion-Dipol-Wechselwirkung) und seiner hohen Dielektrizitätskonstante (\(\varepsilon_r \approx 80\)), die die Coulomb-Anziehung der Ionen schwächt.
- Solvatation ist die Anlagerung von Lösungsmittelmolekülen an Ionen unter Bildung einer Solvathülle, bei Wasser Hydratation. Am Kation zeigt der Sauerstoff nach innen, am Anion der Wasserstoff.
- Bei der Solvolyse reagiert das Lösungsmittel selbst als Reaktionspartner und wird ins Produkt eingebaut.
Worum es geht
Lösungsmittel unterscheiden sich darin, wie polar sie sind und ob sie Wasserstoffbrücken spenden können. Davon hängt ab, welche Stoffe sie lösen und wie sie Ionen umhüllen. Das betrifft die Kochsalzlösung zur Infusion ebenso wie das DMSO im Syntheselabor.
Lösung und Lösevorgang
Eine Lösung ist ein homogenes Gemisch. Die Teilchen eines Stoffes sind darin einzeln zwischen den Teilchen eines anderen verteilt. Der Stoff im Überschuss heißt Lösungsmittel (Solvens), meist eine Flüssigkeit. Der darin verteilte Stoff ist der gelöste Stoff. In einer isotonischen Kochsalzlösung mit 0,9 g Natriumchlorid pro 100 mL ist Wasser das Lösungsmittel.
Die Löslichkeit gibt an, wie viel eines Stoffes sich bei bestimmter Temperatur höchstens in einer bestimmten Menge Lösungsmittel löst. Ist diese Grenze erreicht, liegt eine gesättigte Lösung vor. Überschüssiger Feststoff bleibt als Bodenkörper zurück.
Ob sich ein Stoff löst, entscheiden die zwischenmolekularen Kräfte. Beim Lösen werden Kräfte im gelösten Stoff und im Lösungsmittel überwunden. Dafür entstehen neue Wechselwirkungen zwischen beiden. Gelingt dieser Tausch, löst sich der Stoff. Daher gilt die alte Regel similia similibus solvuntur: Polares löst sich in Polarem, Unpolares in Unpolarem. Dipol-Dipol-Kräfte und Wasserstoffbrücken setzt diese Einheit voraus. Die Energiebilanz des Lösens folgt unter Lösungsenthalpie.
Einteilung der Lösungsmittel
Lösungsmittel teilt man nach zwei Merkmalen ein. Das erste ist die Polarität: Wie groß ist das Dipolmoment der Moleküle, und wie hoch ist die Dielektrizitätskonstante \(\varepsilon_r\)? Das zweite ist die Proticität: Kann das Molekül ein Proton für eine Wasserstoffbrücke bereitstellen?
Protisch ist ein Lösungsmittel, wenn es ein H-Atom an einem stark elektronegativen Atom trägt, praktisch an O oder N. Solche \(\ce{O-H}\)- und \(\ce{N-H}\)-Gruppen sind Wasserstoffbrücken-Donoren. Aprotisch sind Lösungsmittel ohne solche Gruppen. Ihre H-Atome sitzen nur an Kohlenstoff und taugen kaum als H-Brücken-Donoren.
Die Abbildung zeigt den Unterschied an verwandten Molekülen. Formamid (\(\ce{HCONH2}\)) trägt eine \(\ce{NH2}\)-Gruppe und ist protisch. DMF (\(\ce{HCON(CH3)2}\)) hat dort zwei Methylgruppen und ist aprotisch. Methanol und Essigsäure sind durch ihre OH-Gruppe protisch, Aceton mit seiner \(\ce{C=O}\)-Gruppe dagegen nicht.
Aus beiden Merkmalen ergeben sich drei Klassen. Die polar aprotischen (dipolar aprotischen) Lösungsmittel bilden eine eigene Gruppe. Ihre Moleküle haben ein großes Dipolmoment, meist durch eine \(\ce{C=O}\)-, \(\ce{S=O}\)-, \(\ce{C#N}\)- oder \(\ce{NO2}\)-Gruppe. Ein H an O oder N fehlt ihnen.
| Klasse | Kennzeichen | Vertreter (\(\varepsilon_r\), gerundet, bei Raumtemperatur) |
|---|---|---|
| polar protisch | H an O oder N, H-Brücken-Donor | Wasser (78), Formamid (111), Ethylenglykol (37), Methanol (33), Propan-2-ol (18), Essigsäure (6), flüssiges Ammoniak (22 bei −33 °C) |
| polar aprotisch | großes Dipolmoment, kein H an O oder N | DMSO (47), DMF (37), Acetonitril (37), Nitromethan (36), Nitrobenzen (35), NMP (32), Aceton (21) |
| unpolar bis schwach polar | kleines oder kein Dipolmoment | 1,2-Dichlorethan (10), Diethylether (4), Diisopropylether (4), Toluen (2,4), Tetrachlormethan (2,2), Cyclohexan (2,0) |
Die Werte zeigen: Protisch heißt nicht automatisch hohe Dielektrizitätskonstante. Essigsäure ist protisch, aber nur mäßig polar. DMSO und DMF erreichen dagegen Werte wie Methanol, ganz ohne acides H. Ether wie Diethylether lösen Salze kaum. Für \(\mathrm{S_N2}\)-Reaktionen mit ionischen Nucleophilen wie \(\ce{NaCN}\) eignen sie sich deshalb wenig. Man wählt dann DMSO oder DMF, begründet unter Lösungsmitteleffekte und Wahl des Mechanismus.
Protisch heißt H an O oder N. Die „Kürzel-Lösungsmittel“ DMSO, DMF und NMP sind polar aprotisch, ebenso Aceton, Acetonitril und die Nitroverbindungen.
Die Zuordnung wird im Examen gerne gefragt: Aceton, Acetonitril, DMF, DMSO, NMP, Nitromethan und Nitrobenzen sind polar aprotisch. Achte auf Formamid, das trotz Ähnlichkeit zu DMF wegen seiner \(\ce{NH2}\)-Gruppe protisch ist, und auf die Ether und 1,2-Dichlorethan, die nur schwach polar sind.
Wasser als Lösungsmittel für Salze
Wasser löst viele Salze gut, Benzin dagegen kaum. Das liegt vor allem an zwei Eigenschaften des Wassers, die zusammenwirken: seinem Dipolcharakter und seiner hohen Dielektrizitätskonstante.
Erstens ist Wasser ein starker Dipol. Das gewinkelte Molekül trägt am Sauerstoff eine negative Partialladung, an den H-Atomen positive. Die Dipole richten sich auf Ionen aus und binden an sie. Diese Ion-Dipol-Wechselwirkung setzt Energie frei. Sie bezahlt das Herauslösen der Ionen aus dem Gitter.
Zweitens hat Wasser eine hohe Dielektrizitätskonstante \(\varepsilon_r\) (Dielektrizitätszahl, relative Permittivität) von etwa 80. Sie gibt an, um welchen Faktor ein Medium die elektrostatische Kraft zwischen Ladungen gegenüber dem Vakuum schwächt. Die Ionen polarisieren die Moleküle um sich herum. Dadurch wird ihre Ladung nach außen teilweise abgeschirmt.
\[F = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0\varepsilon_r}\cdot\frac{q_1\cdot q_2}{r^2}\]
\(F\) Coulomb-Kraft in N, \(q_1\) und \(q_2\) Ladungen in C, \(r\) Abstand in m, \(\varepsilon_0 = 8{,}854\cdot10^{-12}\ \mathrm{C^2/(N\,m^2)}\) elektrische Feldkonstante, \(\varepsilon_r\) Dielektrizitätskonstante ohne Einheit.
Für ein Ionenpaar heißt das: In Wasser ziehen sich \(\ce{Na+}\) und \(\ce{Cl-}\) bei gleichem Abstand rund 80-mal schwächer an als im Vakuum oder im Ionenkristall ohne Lösungsmittel dazwischen. In Toluen mit \(\varepsilon_r \approx 2{,}4\) wäre die Anziehung etwa 33-mal stärker als in Wasser (\(80 : 2{,}4\)). Getrennte Ionen fänden dort sofort wieder zusammen. Die Löslichkeit von Ionenverbindungen hängt deshalb stark von \(\varepsilon_r\) des Lösungsmittels ab.
Die Abbildung zeigt den Ablauf am Kochsalzkristall. Wassermoleküle greifen an Ecken und Kanten an, wo die Ionen die wenigsten Nachbarn haben. Sie lockern das Gitter, ein Ion löst sich ab und geht mit seiner Wasserhülle in Lösung.
Die Autoprotolyse des Wassers ist dafür nicht maßgeblich. Sie liefert nur winzige Mengen \(\ce{H3O+}\) und \(\ce{OH-}\). Auch die Ionenleitfähigkeit erklärt das Lösen nicht. Sie ist eine Folge der gelösten Ionen, denn reines Wasser leitet kaum.
Solvatation und Hydratation
Was Wasser an Ionen tut, tun andere polare Lösungsmittel auch. Für den allgemeinen Vorgang gibt es einen eigenen Begriff.
Solvatation ist die Anlagerung von Lösungsmittelmolekülen an gelöste Teilchen, vor allem an Ionen. Die angelagerten Moleküle bilden die Solvathülle. Ist das Lösungsmittel Wasser, spricht man von Hydratation und Hydrathülle.
Die Moleküle der Hülle sind nicht kovalent gebunden. Elektrostatische Kräfte halten sie fest, und sie tauschen ständig mit Molekülen der Umgebung aus. Man kann sich die Hülle wie einen Mantel vorstellen, der die Ladung nach außen dämpft und Kation und Anion auf Abstand hält.
Wie sich das Wasser ausrichtet, hängt von der Ladung des Ions ab. Um ein Kation wie \(\ce{Na+}\) oder \(\ce{K+}\) zeigt der negativ polarisierte Sauerstoff nach innen. Um ein Anion wie \(\ce{Cl-}\) oder \(\ce{NO3-}\) zeigen die H-Atome zum Ion und bilden Wasserstoffbrücken. Beim Lösen eines Salzes werden daher beide Ionensorten hydratisiert. In einer Calciumchloridlösung tragen also \(\ce{Ca^2+}\) und die Chloridionen eine Hydrathülle.
Solvatisieren können auch aprotische Lösungsmittel. DMSO bindet Kationen sehr gut über seinen negativ polarisierten Sauerstoff. Anionen umhüllt es dagegen schlecht. Das positive Ende seines Dipols liegt im Molekül verborgen, und ein H-Brücken-Donor fehlt. Kleine Anionen bleiben deshalb fast „nackt“ und reaktiv.
Hydratisierte Ionen gibt es schon im Feststoff. Im Calciumchlorid-Hexahydrat \(\ce{[Ca(H2O)6]Cl2}\) ist jedes \(\ce{Ca^2+}\) im Kristall von sechs Wassermolekülen umgeben. Die Ionen liegen also bereits teilweise hydratisiert vor. Mehr dazu unter Kristallhydrate und zur Bindung im Aquakomplex.
Die Abgrenzung ähnlich klingender Begriffe ist besonders prüfungsrelevant: Solvatation ist eine reine Anlagerung, bei der keine kovalente Bindung entsteht oder bricht. Die übrigen Begriffe beschreiben chemische Reaktionen oder einen anderen Lösemechanismus.
| Begriff | Was passiert | Beispiel |
|---|---|---|
| Hydratation | Wasser lagert sich an Ionen an | \(\ce{K+}\) mit Hydrathülle |
| Hydrolyse | Wasser spaltet eine kovalente Bindung | Ester wird zu Säure und Alkohol |
| Hydrierung | \(\ce{H2}\) addiert an eine Mehrfachbindung | Alken wird zu Alkan |
| Hydrogenolyse | \(\ce{H2}\) spaltet eine Einfachbindung | Abspaltung einer Benzylgruppe mit \(\ce{H2}\) an Pd |
| Solubilisierung | Tenside lösen schwer lösliche Stoffe in Mizellen | lipophiler Arzneistoff in Polysorbat-Mizellen |
| Solvolyse | Lösungsmittel reagiert und wird eingebaut | siehe nächster Abschnitt |
Lösungsmittel als Reaktionspartner
Lösungsmittel sind nicht immer nur Bühne. Bei der Solvolyse reagiert ein Lösungsmittelmolekül selbst mit dem gelösten Stoff und wird ins Produkt eingebaut. Mit Wasser ist die Solvolyse eine Hydrolyse, mit Alkoholen eine Alkoholyse. Ein Beispiel ist tert-Butylchlorid in Wasser:
\[\ce{(CH3)3C-Cl + H2O -> (CH3)3C-OH + HCl}\]
Auch an der Heterolyse einer Bindung können Lösungsmittelmoleküle beteiligt sein. Bei der Heterolyse behält ein Partner beide Bindungselektronen, es entstehen Kation und Anion. Polare protische Lösungsmittel solvatisieren beide Ionen und erleichtern so den Bindungsbruch. Den Mechanismus beschreibt die Einheit zur nucleophilen Substitution.
Quiz
Aussage 1
In der Hydrathülle eines Nitrat-Anions zeigen die H-Atome der Wassermoleküle zum Ion.
Anionen werden über Wasserstoffbrücken hydratisiert. Die positiv polarisierten H-Atome weisen zum Anion.
Aussage 2
Je höher die Dielektrizitätskonstante eines Lösungsmittels, desto schwächer ziehen sich darin gelöste Kationen und Anionen an.
\(\varepsilon_r\) steht im Nenner des Coulomb-Gesetzes. In Wasser ist die Anziehung etwa 80-mal schwächer als im Vakuum.
Aussage 3
Die Anlagerung von Wassermolekülen an ein gelöstes Ion bezeichnet man als Hydrolyse.
Die Anlagerung heißt Hydratation. Bei der Hydrolyse spaltet Wasser dagegen eine kovalente Bindung.
Aussage 4
Propan-2-ol und Essigsäure sind protische Lösungsmittel.
Beide besitzen eine OH-Gruppe und können als Wasserstoffbrücken-Donor wirken.
Aussage 5
DMSO ist trotz seines großen Dipolmoments ein aprotisches Lösungsmittel, weil es kein H-Atom an O oder N trägt.
DMSO hat eine stark polare \(\ce{S=O}\)-Gruppe, seine H-Atome sitzen aber nur an Kohlenstoff. Es ist polar aprotisch.
Aussage 6
Die Fähigkeit des Wassers, Salze zu lösen, beruht vor allem auf seiner Autoprotolyse.
Die Autoprotolyse liefert nur winzige Ionenmengen. Entscheidend sind der Dipolcharakter und die hohe Dielektrizitätskonstante des Wassers.
Aussage 7
Formamid gehört wie DMF zu den polar aprotischen Lösungsmitteln.
Formamid (\(\ce{HCONH2}\)) trägt eine \(\ce{NH2}\)-Gruppe und ist daher protisch. Nur DMF mit zwei Methylgruppen am Stickstoff ist aprotisch.
Aussage 8
Toluen ist ein polares Lösungsmittel mit einer ähnlichen Dielektrizitätskonstante wie Aceton.
Toluen ist unpolar mit \(\varepsilon_r \approx 2{,}4\). Aceton ist polar aprotisch mit \(\varepsilon_r \approx 21\).
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.