Was sind kolligative Eigenschaften?
Eine kolligative Eigenschaft ist ein beschreibendes Merkmal, das in der Lösungschemie verwendet wird. Kolligative Eigenschaften sind am einfachsten diejenigen Eigenschaften einer Lösung, die von der Anzahl der gelösten Moleküle in einer gegebenen Lösung abhängen, jedoch nicht von der Identität dieser gelösten Moleküle. Es gibt nur wenige Eigenschaften der Lösung, die kolligieren: Dampfdruck, Siedepunkterhöhung, Gefrierpunkterniedrigung und osmotischer Druck. Kolligative Eigenschaften werden nur für ideale Lösungen definiert.
In der Chemie werden Lösungen als aus einem gelösten Stoff oder der gelösten Substanz und einem Lösungsmittel oder der löslichen Substanz bestehend definiert. Wenn beispielsweise ein Stück Tafelsalz in Wasser gelöst ist, ist das Salz der gelöste Stoff und das Wasser das Lösungsmittel. Kolligative Eigenschaften dieser Lösung sind Eigenschaften, die nur von der Anzahl der Salzmoleküle oder dem Verhältnis der Anzahl der Salzmoleküle zur Anzahl der Lösungsmittelmoleküle abhängen. Die kolligativen Eigenschaften der Lösung hängen nicht von der Tatsache ab, dass der gelöste Stoff Salz ist, oder von irgendwelchen Eigenschaften des Salzes. Eine kolligative Eigenschaft ist eine Eigenschaft, die sich für jede Lösung gleich verhält, unabhängig davon, ob die Lösung Salz, Zucker oder einen anderen möglichen gelösten Stoff enthält.
Von den vier kolligativen Eigenschaften der Lösung hängen Dampfdruck, Siedepunkterhöhung und Gefrierpunkterniedrigung eng zusammen. Der Dampfdruck als kolligierende Eigenschaft wird durch das Gesetz von Raoult beschrieben. Das Gesetz von Raoult besagt grundsätzlich, dass für eine ideale Lösung der Dampfdruck der Gesamtlösung vom Dampfdruck jeder der chemischen Komponenten sowie vom Molenbruch jeder der chemischen Komponenten in der Lösung abhängt. In der Praxis bedeutet diese Beziehung, dass bei Zugabe eines gelösten Stoffs zu einer Lösung die Änderung des Dampfdrucks nur vom Verhältnis des gelösten Stoffs zu den Lösungsmittelmolekülen abhängt. Da es sich um eine kolligative Eigenschaft handelt, hängt die Änderung des Dampfdrucks wiederum nicht von der Identität des zugesetzten gelösten Stoffs ab.
Siedepunkterhöhung und Gefrierpunkterniedrigung sind kolligative Eigenschaften, die sich jeweils zusammen mit Änderungen des Dampfdrucks ändern. Wenn ein gelöster Stoff zur Lösung gegeben wird, senken die gelösten Stoffe den Dampfdruck des Lösungsmittels. Die Druckänderung bewirkt eine entsprechende Erhöhung des Siedepunktes und eine Erniedrigung des Gefrierpunktes der Lösung. Mit anderen Worten, wenn ein gelöster Stoff zu einer Lösung gegeben wird, siedet die Lösung jetzt bei einer höheren Temperatur und gefriert bei einer niedrigeren Temperatur.
Osmotischer Druck ist die vierte kolligative Eigenschaft der Lösung. Osmose ist definiert als die Bewegung von Lösungsmittelmolekülen durch eine semipermeable Membran in einen Bereich, der eine höhere Anzahl von gelösten Molekülen enthält. Osmotischer Druck ist der Druck, der auf eine Seite der semipermeablen Membran ausgeübt werden muss, um das Durchfließen des Lösungsmittels zu verhindern. Der osmotische Druck einer idealen Lösung bei konstanter Temperatur ist proportional zur Konzentration des gelösten Stoffes oder anders ausgedrückt, hängt nur von der Anzahl der gelösten Moleküle ab.
Die Definition der kolligativen Eigenschaften einer Lösung mag komplex erscheinen, sie können jedoch anhand einiger allgemeiner Beispiele intuitiv verstanden werden. Viele Köche geben Salz in einen Topf mit Wasser, wenn sie Nudeln kochen, wodurch die Nudeln schneller kochen. Diese Aktion nutzt eine kolligative Eigenschaft. Die Zugabe des Salzes erhöht den Siedepunkt des Wassers, wodurch die Nudeln bei einer höheren Wassertemperatur schneller garen können.
Die Gefrierpunktserniedrigung wird auch häufig von Köchen ausgenutzt. Sowohl Zucker als auch Salz als gelöste Stoffe helfen Eiscreme einzufrieren. Der Zucker in der Eiscreme beeinflusst die Temperatur, bei der die Eiscreme gefriert, und Salzwasser um das Eiscremegefäß erzeugt eine kältere Umgebung, in der die Eiscreme schneller gefriert.