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Löslichkeitsprodukt - Chemie

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Löslichkeitsprodukt - Chemie




Einleitung

Das Löslichkeitsprodukt beschreibt das Gleichgewicht zwischen einem schwer löslichen Salz und seinen gelösten Ionen. Du kannst damit berechnen, wie viel Salz sich löst und ob beim Mischen zweier Lösungen ein Niederschlag entsteht.

Der aiMOOC richtet sich vor allem an Lernende der Sekundarstufe II, eignet sich aber mit Hilfestellungen auch für fortgeschrittene Klassen der Sekundarstufe I. Du benötigst Grundkenntnisse zu Stoffmengenkonzentration, chemischem Gleichgewicht, Ionen und Massenwirkungsgesetz.

Beim Zusammentreffen von Silber-Ionen und Chlorid-Ionen entsteht ein weißer Silberchlorid-Niederschlag.
Beim Zusammentreffen von Silber-Ionen und Chlorid-Ionen entsteht ein weißer Silberchlorid-Niederschlag.


Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du:

  1. Löslichkeitsgleichgewicht: erklären, warum in einer gesättigten Lösung gleichzeitig Lösung und Fällung stattfinden.
  2. Löslichkeitsprodukt: aus einer Reaktionsgleichung den passenden Ausdruck für KL aufstellen.
  3. Molare Löslichkeit: aus einem gegebenen Löslichkeitsprodukt berechnen.
  4. Ionenprodukt: mit KL vergleichen und eine Fällung vorhersagen.
  5. Eigenioneneffekt: als Verschiebung eines chemischen Gleichgewichts erklären.
  6. Fällungsreaktion: auf Anwendungen in Analytik, Technik und Umweltchemie übertragen.


Fachlicher Input


Löslichkeit und Sättigung

Die Löslichkeit gibt an, wie viel eines Stoffes sich unter festgelegten Bedingungen in einem Lösungsmittel lösen kann. Bei Salzen ist Wasser häufig das Lösungsmittel.

Eine Lösung kann drei Zustände besitzen:

  1. Ungesättigt: Es kann sich noch weiteres Salz lösen.
  2. Gesättigt: Gelöstes Salz und ungelöster Feststoff stehen im Gleichgewicht.
  3. Übersättigt: Es sind vorübergehend mehr Teilchen gelöst, als im Gleichgewicht stabil wären. Eine Kristallisation oder Fällung kann einsetzen.

Die Löslichkeit hängt unter anderem von der Temperatur, dem Lösungsmittel, dem pH-Wert und weiteren gelösten Ionen ab.

Beispielhafte Löslichkeitskurven verschiedener Salze in Abhängigkeit von der Temperatur.
Beispielhafte Löslichkeitskurven verschiedener Salze in Abhängigkeit von der Temperatur.


Das dynamische Löslichkeitsgleichgewicht

Gibt man ein schwer lösliches Salz in Wasser, lösen sich zunächst einige Ionen aus dem Ionengitter. Gleichzeitig können gelöste Ionen wieder an den Feststoff gebunden werden.

Im Gleichgewicht sind die Geschwindigkeiten beider Vorgänge gleich:

Geschwindigkeit des Lösens=Geschwindigkeit der Fällung

Die Konzentrationen bleiben dann im Mittel konstant. Das bedeutet nicht, dass auf Teilchenebene nichts mehr geschieht. Es liegt ein dynamisches Gleichgewicht vor.[1]

Für Silberchlorid gilt:

AgCl(s)Ag+(aq)+Cl(aq)

Der Feststoff wird in der Gleichgewichtsgleichung nicht als veränderliche Konzentration berücksichtigt. Seine Aktivität gilt bei einem reinen Feststoff als konstant.

Silberchlorid als weißer Bodensatz in einer Lösung.
Silberchlorid als weißer Bodensatz in einer Lösung.


Definition des Löslichkeitsprodukts

Das Löslichkeitsprodukt ist die Gleichgewichtskonstante des Lösungsvorgangs eines schwer löslichen ionischen Stoffes. Thermodynamisch wird es mit den Aktivitäten der gelösten Ionen formuliert.[2]

Für ein Salz AmBn gilt allgemein:

AmBn(s)mAz+(aq)+nBy(aq)

Daraus folgt:

KL=a(Az+)ma(By)n

In verdünnten Schullösungen wird häufig näherungsweise mit Stoffmengenkonzentrationen gerechnet:

KLc(Az+)mc(By)n

Wichtig: Die Exponenten entsprechen den stöchiometrischen Koeffizienten der Ionen.

Für Silberchlorid ergibt sich:

KL(AgCl)=c(Ag+)c(Cl)

Für Calciumfluorid gilt:

CaF2(s)Ca2+(aq)+2F(aq)

KL(CaF2)=c(Ca2+)c(F)2


Löslichkeitsprodukt und molare Löslichkeit

Die molare Löslichkeit s gibt an, wie viele Mol eines Salzes sich pro Liter gesättigter Lösung lösen.


Beispiel 1: Silberchlorid

Für Silberchlorid sei bei 25C näherungsweise gegeben:

KL=1,81010[3]

Aus einem Mol Silberchlorid entstehen ein Mol Silber-Ionen und ein Mol Chlorid-Ionen:

c(Ag+)=s

c(Cl)=s

Damit gilt:

KL=ss=s2

s=KL=1,81010

s1,34105molL1

Mit der molaren Masse von Silberchlorid entspricht dies ungefähr 1,9mgL1. Silberchlorid ist daher in Wasser nur sehr wenig löslich.


Beispiel 2: Calciumfluorid

Für Calciumfluorid gilt:

CaF2(s)Ca2+(aq)+2F(aq)

Wenn sich die Stoffmenge s löst, entstehen:

c(Ca2+)=s

c(F)=2s

Daher:

KL=s(2s)2=4s3

s=KL43

Bei KL=3,91011 ergibt sich näherungsweise:

s2,14104molL1

Dieses Beispiel zeigt: Löslichkeitsprodukte von Salzen mit unterschiedlicher Ionenstöchiometrie dürfen nicht ohne Rechnung direkt miteinander verglichen werden.


Ionenprodukt und Fällung

Das Ionenprodukt QL wird mit derselben Formel wie das Löslichkeitsprodukt berechnet. Es verwendet jedoch die aktuell vorhandenen Ionenkonzentrationen, auch wenn noch kein Gleichgewicht erreicht ist.

Der Vergleich zeigt, was geschieht:

  1. QL<KL: Die Lösung ist ungesättigt. Es fällt kein Salz aus.
  2. QL=KL: Die Lösung ist gesättigt und befindet sich im Gleichgewicht.
  3. QL>KL: Die Lösung ist übersättigt. Eine Fällung ist thermodynamisch begünstigt.


Beispiel: Fällt Silberchlorid aus?

Gleiche Volumina einer 0,010molL1 Silbernitratlösung und einer 0,010molL1 Natriumchloridlösung werden gemischt.

Durch die Verdopplung des Gesamtvolumens halbieren sich beide Konzentrationen:

c(Ag+)=0,0050molL1

c(Cl)=0,0050molL1

Das Ionenprodukt ist:

QL=0,00500,0050=2,5105

Da QL sehr viel größer als KL=1,81010 ist, fällt Silberchlorid aus.

Die gekürzte Ionengleichung lautet:

Ag+(aq)+Cl(aq)AgCl(s)

Gelber Blei-II-iodid-Niederschlag als Beispiel einer Fällungsreaktion.
Gelber Blei-II-iodid-Niederschlag als Beispiel einer Fällungsreaktion.


Eigenioneneffekt

Enthält eine Lösung bereits eines der Ionen eines schwer löslichen Salzes, sinkt meist die Löslichkeit dieses Salzes. Dieser Zusammenhang wird Eigenioneneffekt oder Gleichioneneffekt genannt.

Für Silberchlorid gilt:

KL=c(Ag+)c(Cl)

Befindet sich Silberchlorid in einer Lösung mit bereits vorhandenen Chlorid-Ionen, muss das Produkt trotzdem konstant bleiben. Eine größere Chlorid-Ionen-Konzentration führt deshalb zu einer kleineren Gleichgewichtskonzentration der Silber-Ionen.

Bei näherungsweise c(Cl)=0,010molL1 gilt:

c(Ag+)1,810100,010

c(Ag+)1,8108molL1

Das Gleichgewicht wird nach dem Prinzip von Le Chatelier in Richtung des Feststoffs verschoben.


Einfluss des pH-Werts

Der pH-Wert beeinflusst die Löslichkeit, wenn an dem Gleichgewicht Oxid-, Hydroxid-, Carbonat-, Sulfid- oder andere protonierbare Ionen beteiligt sind.

Für Kupfer-II-hydroxid gilt:

Cu(OH)2(s)Cu2+(aq)+2OH(aq)

KL=c(Cu2+)c(OH)2

Bei steigendem pH-Wert nimmt die Hydroxid-Ionen-Konzentration zu. Dadurch wird die Löslichkeit von Kupfer-II-hydroxid meist kleiner. Bei Zugabe einer Säure werden Hydroxid-Ionen zu Wasser umgesetzt. Das Gleichgewicht kann sich dann in Richtung der gelösten Ionen verschieben.

Blauer, gelatinöser Kupfer-II-hydroxid-Niederschlag.
Blauer, gelatinöser Kupfer-II-hydroxid-Niederschlag.


Einfluss der Temperatur

Das Löslichkeitsprodukt gilt immer für eine bestimmte Temperatur. Ändert sich die Temperatur, kann sich auch KL ändern.

Bei einem endothermen Lösungsvorgang fördert Erwärmen häufig das Lösen. Bei einem exothermen Lösungsvorgang kann Erwärmen die Löslichkeit verringern. Eine allgemeine Regel, nach der sich jedes Salz beim Erwärmen besser löst, ist daher nicht korrekt.

Ein anschauliches Beispiel für temperaturabhängige Kristallisation ist die sogenannte „Goldregen“-Demonstration mit Blei-II-iodid. Wegen der Giftigkeit von Bleiverbindungen darf sie ausschließlich fachgerecht durch Lehrkräfte durchgeführt und entsorgt werden.

Gelbe Blei-II-iodid-Kristalle nach dem Abkühlen einer zuvor erwärmten Lösung.
Gelbe Blei-II-iodid-Kristalle nach dem Abkühlen einer zuvor erwärmten Lösung.


Anwendungen

Das Löslichkeitsprodukt wird in vielen Bereichen genutzt:

  1. Qualitative Analyse: Ionen können durch charakteristische Niederschläge nachgewiesen werden.
  2. Gravimetrie: Ein Stoff wird möglichst vollständig gefällt, filtriert, getrocknet und gewogen.
  3. Wasseraufbereitung: Gelöste Ionen können durch gezielte Fällung entfernt werden.
  4. Umweltchemie: Die Mobilität mancher Metall-Ionen hängt von Fällungs- und Löslichkeitsgleichgewichten ab.
  5. Geochemie: Mineralbildung und Mineralauflösung werden durch Gleichgewichte beeinflusst.
  6. Medizin: Kristallbildungen wie Calciumoxalat-Ablagerungen lassen sich mit Löslichkeitsgleichgewichten untersuchen.
  7. Zahnschmelz: Säure-Base- und Löslichkeitsgleichgewichte beeinflussen die Stabilität mineralischer Zahnsubstanz.


Typische Fehler

  1. Koeffizienten vergessen: Die Zahlen aus der Reaktionsgleichung werden zu Exponenten im Ausdruck für KL.
  2. Verdünnung übersehen: Beim Mischen zweier Lösungen ändert sich das Gesamtvolumen.
  3. Feststoff einsetzen: Die Konzentration eines reinen Feststoffs steht nicht im Ausdruck des Löslichkeitsprodukts.
  4. Löslichkeit mit Löslichkeitsprodukt verwechseln: s ist eine Konzentration, KL ist eine Gleichgewichtskonstante.
  5. Löslichkeitsprodukte direkt vergleichen: Das ist bei unterschiedlicher Ionenstöchiometrie nicht zuverlässig.
  6. Temperatur ignorieren: Tabellenwerte gelten nur für die angegebene Temperatur.
  7. Nebenreaktionen übersehen: Säure-Base-Reaktionen und Komplexbildung können die Löslichkeit verändern.


Rechenstrategie

Gehe bei Aufgaben in dieser Reihenfolge vor:

  1. Schreibe die Gleichung des Löslichkeitsgleichgewichts auf.
  2. Formuliere den Ausdruck für KL.
  3. Lege die gesuchte Größe fest.
  4. Berücksichtige stöchiometrische Faktoren und Verdünnung.
  5. Setze Konzentrationen oder die molare Löslichkeit s ein.
  6. Löse die Gleichung.
  7. Prüfe Einheit, Größenordnung und chemische Plausibilität.
  8. Vergleiche bei Fällungsaufgaben QL mit KL.


Sicherheit im Experiment

Silbernitrat kann Haut und Kleidung verfärben. Kupfer-, Barium- und Bleisalze können gesundheitsschädlich oder umweltgefährlich sein. Experimente mit solchen Stoffen dürfen nur nach Gefährdungsbeurteilung, mit Schutzbrille und unter fachkundiger Aufsicht durchgeführt werden. Schwermetallhaltige Lösungen und Niederschläge gehören nicht in den Ausguss.


Zusammenfassung

Das Löslichkeitsprodukt beschreibt das Gleichgewicht eines schwer löslichen Salzes mit seinen gelösten Ionen. Die Exponenten im Ausdruck für KL stammen aus der Reaktionsgleichung. Aus KL lässt sich die molare Löslichkeit berechnen. Durch den Vergleich von Ionenprodukt und Löslichkeitsprodukt kannst Du vorhersagen, ob ein Niederschlag entsteht. Temperatur, pH-Wert, Eigenionen und weitere Reaktionen können die Löslichkeit beeinflussen.


Einzelnachweise


Interaktive Aufgaben


Quiz: Teste Dein Wissen

Was beschreibt das Löslichkeitsprodukt? (Das Gleichgewicht zwischen einem schwer löslichen Salz und seinen gelösten Ionen) (!Die Geschwindigkeit jeder beliebigen chemischen Reaktion) (!Die Dichte eines ungelösten Feststoffs) (!Die Masse des verwendeten Lösungsmittels)




Welche Stoffart erscheint nicht als veränderliche Konzentration im Ausdruck des Löslichkeitsprodukts? (Ein reiner Feststoff) (!Ein gelöstes Kation) (!Ein gelöstes Anion) (!Ein hydratisiertes Ion)




Welcher Ausdruck gilt für Silberchlorid? (KL gleich Konzentration der Silberionen mal Konzentration der Chloridionen) (!KL gleich Konzentration der Silberionen plus Konzentration der Chloridionen) (!KL gleich Konzentration von Silberchlorid im Feststoff) (!KL gleich Konzentration der Silberionen geteilt durch die Chloridionenkonzentration)




Was bedeutet ein Ionenprodukt kleiner als das Löslichkeitsprodukt? (Die Lösung ist ungesättigt) (!Es muss sofort ein Niederschlag entstehen) (!Die Lösung ist immer übersättigt) (!Der Feststoff kann sich grundsätzlich nicht lösen)




Was ist bei einem Ionenprodukt größer als das Löslichkeitsprodukt zu erwarten? (Eine Fällung ist begünstigt) (!Die Lösung bleibt sicher ungesättigt) (!Das Salz verdampft) (!Das Lösungsmittel wird fest)




Wie wirkt ein bereits vorhandenes gemeinsames Ion meist auf die Löslichkeit eines schwer löslichen Salzes? (Die Löslichkeit nimmt ab) (!Die Löslichkeit wird unendlich groß) (!Das Löslichkeitsprodukt wird bei gleicher Temperatur null) (!Die Ionen verlieren ihre Ladung)




Welche Exponenten stehen beim Löslichkeitsprodukt von Silbercarbonat Ag2CO3? (Quadrat bei der Silberionenkonzentration und erste Potenz bei der Carbonationenkonzentration) (!Erste Potenz bei beiden Ionenkonzentrationen) (!Dritte Potenz bei beiden Ionenkonzentrationen) (!Quadrat nur bei der Carbonationenkonzentration)




Was kennzeichnet ein dynamisches Löslichkeitsgleichgewicht? (Lösen und Fällung laufen gleich schnell ab) (!Alle Teilchen stehen vollständig still) (!Es befindet sich kein Feststoff im Gefäß) (!Die Temperatur steigt ständig an)




Wie berechnet sich die molare Löslichkeit eines Salzes vom Typ AB in reinem Wasser? (Als Quadratwurzel aus dem Löslichkeitsprodukt) (!Als doppeltes Löslichkeitsprodukt) (!Als Kehrwert des Löslichkeitsprodukts) (!Als Summe der molaren Massen)




Warum kann eine Säure die Löslichkeit vieler Metallhydroxide erhöhen? (Weil sie Hydroxidionen aus dem Gleichgewicht entfernt) (!Weil sie jedes Metall in ein Edelgas umwandelt) (!Weil sie das Löslichkeitsprodukt immer auf null setzt) (!Weil sie den Feststoff ohne Reaktion verdampft)





Memory

Löslichkeitsprodukt Gleichgewichtskonstante einer gesättigten Salzlösung
Ionenprodukt Produkt der aktuell vorhandenen Ionenkonzentrationen
Sättigung Zustand bei maximaler Gleichgewichtskonzentration
Fällung Bildung eines schwer löslichen Feststoffs
Eigenioneneffekt Verringerte Löslichkeit durch ein gemeinsames Ion
Bodensatz Ungelöster Feststoff am Gefäßboden
Molare Löslichkeit Gelöste Stoffmenge pro Liter
Übersättigung Zustand mit thermodynamisch zu hoher Ionenkonzentration





Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu. Beschreibung
Ungesättigte Lösung Ionenprodukt kleiner als Löslichkeitsprodukt
Gesättigte Lösung Ionenprodukt gleich Löslichkeitsprodukt
Übersättigte Lösung Ionenprodukt größer als Löslichkeitsprodukt
Silberchlorid Weißer Niederschlag
Blei-II-iodid Gelber Niederschlag
Kupfer-II-hydroxid Blauer Niederschlag






Kreuzworträtsel

Sättigung Wie heißt der Zustand einer Lösung im Löslichkeitsgleichgewicht?
Bodensatz Wie nennt man den ungelösten Feststoff am Gefäßboden?
Fällung Wie heißt die Bildung eines schwer löslichen Feststoffs aus einer Lösung?
Chlorid Welches Ion bildet mit Silberionen einen weißen Niederschlag?
Gleichgewicht Welcher Zustand liegt vor, wenn Lösen und Kristallisieren gleich schnell ablaufen?
Eigenioneneffekt Wie heißt die Löslichkeitsabnahme durch ein bereits vorhandenes gemeinsames Ion?





LearningApps


Lückentext

Vervollständige den Text.

Das Löslichkeitsprodukt beschreibt ein chemisches

. In einer gesättigten Lösung laufen Lösen und

gleich schnell ab. Ein reiner Feststoff wird nicht als veränderliche

in den Gleichgewichtsausdruck eingesetzt. Die Exponenten im Löslichkeitsprodukt stammen aus den stöchiometrischen

. Für ein Salz vom Typ AB gilt in reinem Wasser näherungsweise s gleich der

aus dem Löslichkeitsprodukt. Das Produkt der aktuell vorhandenen Ionenkonzentrationen heißt

. Ist dieses Produkt größer als das Löslichkeitsprodukt, ist eine

begünstigt. Ein bereits vorhandenes gemeinsames Ion verursacht den

. Beim Mischen zweier Lösungen muss die Änderung des Gesamtvolumens als

berücksichtigt werden. Der Zahlenwert eines Löslichkeitsprodukts gilt nur für eine bestimmte

.




Offene Aufgaben


Leicht

  1. Begriffsnetz Löslichkeitsprodukt: Erstelle ein Begriffsnetz mit den Wörtern Salz, Ion, Sättigung, Gleichgewicht, Niederschlag und Löslichkeitsprodukt.
  2. Teilchenbild: Zeichne eine gesättigte Salzlösung mit Bodensatz und kennzeichne Lösen und Fällung durch Pfeile.
  3. Medienanalyse Fällung: Beschreibe an einem der Bilder im aiMOOC, woran Du die Bildung eines Niederschlags erkennst.
  4. Formelsammlung: Gestalte eine übersichtliche Lernkarte mit den Ausdrücken für AgCl, CaF2 und Ag2CO3.


Standard

  1. Rechenweg erklären: Erkläre in eigenen Worten, warum für AgCl die Beziehung s gleich der Quadratwurzel aus KL gilt.
  2. Fällungsprognose: Entwickle drei Beispiele für Ionenprodukte und entscheide jeweils, ob die Lösung ungesättigt, gesättigt oder übersättigt ist.
  3. Experiment planen: Plane unter Aufsicht einer Lehrkraft einen sicheren Chloridnachweis und formuliere Beobachtung, Ionengleichung und Entsorgungshinweis.
  4. Erklärvideo: Produziere ein zweiminütiges Lernvideo zum Unterschied zwischen Löslichkeit, Löslichkeitsprodukt und Ionenprodukt.


Schwer

  1. Eigenioneneffekt untersuchen: Entwirf eine Versuchsreihe, mit der sich der Einfluss verschiedener Chloridkonzentrationen auf die Löslichkeit von Silberchlorid untersuchen ließe.
  2. Modellkritik: Untersuche, wann die Näherung mit Konzentrationen statt Aktivitäten problematisch wird, und stelle Deine Ergebnisse in einem Kurzvortrag vor.
  3. Umweltfallstudie: Recherchiere, wie pH-Wert und Fällung die Mobilität eines Metallions in Gewässern beeinflussen können.
  4. Digitale Simulation: Entwickle eine Tabellenkalkulation, die für Salze verschiedener Stöchiometrie aus KL die molare Löslichkeit berechnet und QL mit KL vergleicht.




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Lernkontrolle

  1. Transfer Fällungsgrenze: Zwei Lösungen werden in unterschiedlichen Volumenverhältnissen gemischt. Entwickle einen allgemeinen Rechenweg, mit dem Du entscheidest, ab welchem Mischungsverhältnis ein Niederschlag entsteht.
  2. Vergleich zweier Salze: Erkläre anhand selbst gewählter Beispiele, warum das Salz mit dem kleineren Löslichkeitsprodukt nicht zwingend die kleinere molare Löslichkeit besitzt.
  3. pH und Metallhydroxid: Begründe auf Teilchenebene und mit einer Gleichung, wie eine pH-Absenkung die Löslichkeit eines Metallhydroxids verändern kann.
  4. Fehleranalyse: Eine Schülerin setzt die Masse des Bodensatzes in die Gleichung für KL ein. Analysiere den Denkfehler und formuliere eine korrekte Lösungsidee.
  5. Trennverfahren: Plane eine selektive Fällung zweier Metallionen und erläutere, welche Daten Du dafür benötigst.
  6. Alltagsbezug: Übertrage das Konzept des Löslichkeitsgleichgewichts auf Kalkablagerungen, Zahnmineral oder Kristallbildung und benenne Grenzen des Modells.




Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

  1. das dynamische Löslichkeitsgleichgewicht fachsprachlich erklären kannst.
  2. aus einer Reaktionsgleichung den korrekten Ausdruck für KL entwickelst.
  3. die molare Löslichkeit für unterschiedliche Salzstöchiometrien berechnest.
  4. beim Mischen von Lösungen die Verdünnung berücksichtigst.
  5. mithilfe von QL und KL eine Fällung vorhersagst.
  6. den Eigenioneneffekt mit dem Prinzip von Le Chatelier begründest.
  7. den Einfluss von Temperatur und pH-Wert qualitativ beurteilst.
  8. Rechenwege nachvollziehbar dokumentierst und Ergebnisse auf Plausibilität prüfst.
  9. Sicherheits- und Entsorgungsregeln bei Fällungsreaktionen beachtest.
  10. das Modell auf neue chemische oder umweltbezogene Situationen überträgst.




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