Empirische Lösungen in der Chemie: Definition, Arten, Eigenschaften und Beispiele aus dem Alltag

Lösungen in der Chemie sind üblicherweise binär, das heißt, sie bestehen aus zwei Komponenten, dem gelösten Stoff und dem Lösungsmittel , wobei die eine der zu lösende Stoff und die andere das Lösungsmittel ist.

Auf dieser Grundlage können diese in zwei Typen unterteilt werden: standardisierte Lösungen und empirische Lösungen . Letztere sind solche, bei denen die Menge an gelöstem Stoff und Lösungsmittel, die sie enthalten können, nicht quantitativ und genau berücksichtigt wird.

Normalerweise sind in empirischen Lösungen gelöste Stoffe und Lösungsmittel relativ, da sich diese einfach mit den Mengen ändern können; wenn wir eine Lösung mit der gleichen Menge beider Elemente haben, kann jedem Element einer der beiden Namen zugeordnet werden, obwohl üblicherweise die Substanz, die im größeren Anteil vorhanden ist, als Lösungsmittel betrachtet wird.

Was ist eine Lösung?

Um den Begriff „ empirische Lösungen“ vollständig zu verstehen, ist es notwendig zu wissen, was eine Lösung ist. In der Chemie wird eine Lösung als homogenes Gemisch definiert , das typischerweise aus Teilchen mit weniger als 10 Atomen oder relativ kleinen Molekülen besteht. Diese Lösungen setzen sich üblicherweise aus zwei Hauptbestandteilen zusammen: gelösten Stoffen und Lösungsmitteln.

Ein homogenes Gemisch ist dadurch gekennzeichnet, dass seine Bestandteile auf mikroskopischer Ebene gleichmäßig verteilt sind , sodass die Phasen mit bloßem Auge nicht unterscheidbar sind. Typische Beispiele hierfür sind Salzwasser, kohlensäurehaltige Getränke oder die Luft, die wir atmen (ein Gemisch aus mehreren Gasen).

Gelöste Stoffe

Gelöste Stoffe sind Substanzen, die sich in einem Gemisch lösen, weil sie im Vergleich zum Lösungsmittel in geringerer Menge vorliegen. Ein gelöster Stoff kann fest, flüssig oder gasförmig sein, solange er sich gleichmäßig im Lösungsmittel verteilen lässt. Ein gängiges Beispiel ist Zucker, der sich in Wasser löst.

Lösungsmittel

Lösungsmittel sind Substanzen, die gelöste Stoffe auflösen; sie sind in größerer Menge vorhanden als der gelöste Stoff selbst. Das Lösungsmittel bildet das Medium, in dem die gelösten Teilchen dispergiert sind. Wasser ist das gebräuchlichste Lösungsmittel im Alltag und wird aufgrund seiner Fähigkeit, eine Vielzahl von Substanzen zu lösen, als universelles Lösungsmittel bezeichnet.

Lösungen werden in zwei Haupttypen unterteilt: solche, bei denen die genaue Menge an gelöstem Stoff und Lösungsmittel in einem Gemisch bestimmt werden kann, diese werden als Standardlösungen bezeichnet ; und es gibt auch empirische Lösungen , bei denen die genaue Bestimmung der Menge dieser Komponenten nicht möglich ist, da keine formalen Messmethoden angewendet werden.

Was ist eine empirische Lösung?

Empirische Lösungen sind Gemische, bei denen die genaue Menge an gelöstem Stoff und Lösungsmittel nicht quantitativ oder mit Laborinstrumenten bestimmt werden kann . Das Verhältnis der beiden Komponenten wird in diesen Lösungen qualitativ und auf Grundlage von Erfahrung oder persönlichem Urteilsvermögen ermittelt, ohne auf Konzentrationseinheiten wie Molarität, Normalität oder Prozent zurückzugreifen.

Bei einer empirischen Lösung können verschiedene Aggregatzustände vorliegen: Feststoffe können in Flüssigkeiten getrennt oder verbunden werden , Flüssigkeiten in Flüssigkeiten , Gase in Flüssigkeiten und Gase in Gasen , wobei die Substanz mit dem größeren Volumen im Allgemeinen als Lösungsmittel wirkt und die in einem geringeren Anteil vorhandene Substanz auflöst.

Der Begriff „empirisch“ bezieht sich darauf, dass diese Lösungen auf der Erfahrung und dem Wissen desjenigen beruhen, der sie zubereitet. Sie werden auch als qualitative Lösungen bezeichnet , da die Beschreibung mit Begriffen wie „eine kleine Menge“, „viel“, „eine Prise“ oder „ein Löffel voll“ erfolgt, ohne genaue Massen, Stoffmengen oder Volumina anzugeben.

Die Auflösungszeiten variieren je nach Faktoren wie Temperatur , Druck und Art des gelösten Stoffes . Bei gasförmigen Lösungen bestimmen diese Faktoren maßgeblich die Löslichkeit des Gases im Lösungsmittel, was bei einer signifikanten Menge an gelöstem Gas die Viskosität oder Dickflüssigkeit erhöhen kann.

Es ist wichtig zu wissen, dass empirische Lösungen im Alltag weit verbreitet sind, beispielsweise zu Hause, in Restaurants, Bars und Küchen . Jeder kann sie zubereiten, ohne spezielle Chemiekenntnisse oder den Umgang mit Messgeräten zu benötigen. So sind beispielsweise die Zubereitung von Saft, Cocktails oder Latte Macchiato oft empirische Prozesse: Je nach persönlichem Geschmack wird mehr oder weniger hinzugefügt.

Es gibt fünf Arten von empirischen Lösungen, die nach den Eigenschaften des Lösungsmittels und des gelösten Stoffes klassifiziert werden: verdünnte , konzentrierte , gesättigte , ungesättigte und übersättigte Lösungen . Diese Klassifizierung basiert auf der Löslichkeit und der Menge des dem Lösungsmittel zugesetzten gelösten Stoffes, wobei in empirischen Kontexten keine exakten Zahlen verwendet werden.

Enthält ein Gemisch beide Substanzen als flüssige Bestandteile, verlieren sie ihre Identität als ursprüngliche Stoffe, und lassen sich nur noch anhand ihrer jeweiligen Menge im Gemisch unterscheiden. Dies kommt häufig bei der Zubereitung von Cocktails, Ölmischungen oder flüssigen Saucen vor.

Charakteristika empirischer Lösungen

Zu den wichtigsten Merkmalen empirischer Lösungen zählen unter anderem folgende:

• Sie werden üblicherweise zubereitet in informelle Umgebungen eher in Privathaushalten, Bars, Cafés, Speisesälen oder Großküchen als in Forschungslaboren.
• Sie können hergestellt werden durch irgendeine Person, ohne dass eine spezielle Ausbildung in Chemie oder Erfahrung im Umgang mit volumetrischen Materialien oder Waagen erforderlich ist.
• Sie sind so gefertigt, dass sie praktische Bedürfnisse befriedigen, wie zum Beispiel Lebensmittel, Geschmack, Textur oder Aussehen eher für Lebensmittel und Getränke als für präzise analytische oder industrielle Zwecke.
• Überwiegt die persönlicher GeschmackNach persönlichem Ermessen und Erfahrung wird je nach gewünschtem Geschmack, Farbe, Geruch oder Konsistenz mehr oder weniger gelöster Stoff hinzugefügt.
• Es werden keine Wägemethoden befolgt oder durchgeführt. stöchiometrische BerechnungenFür seine Zubereitung werden auch keine instrumentellen Geräte wie pH-Meter oder Büretten verwendet.
• Sie werden im Allgemeinen nicht verwendet. volumetrische Materialien kalibriert; stattdessen werden Löffel, Gläser, Krüge, Tassen, „Pinch“-Gerichte mit den Fingern oder beliebige Alltagsbehälter verwendet.
• In Routine- und Forschungslaboren wird es verwendet seltenDenn dort sind standardisierte Lösungen mit bekannten Konzentrationen erforderlich, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen.
• Die gebräuchlichsten empirischen Lösungen sind in der Regel feste gelöste Stoffe in Flüssigkeiten (wie Zucker in Wasser) oder Mischungen Flüssig-Flüssig (zum Beispiel verschiedene Spirituosen in einem Cocktail).

Arten empirischer Lösungen

Diese Typen werden nach der Beständigkeit der Substanzen gegenüber Auflösung und vor allem nach der Menge des im Gemisch vorhandenen gelösten Stoffes unterteilt, stets unter qualitativer Gesichtspunkt. Zu den Hauptkategorien gehören die folgenden.

Lösungen verdünnen

Hierbei handelt es sich um Lösungen, bei denen die Menge an Lösungsmittel die Menge an gelöstem Stoff deutlich übersteigt , sodass der Anteil an gelöstem Stoff relativ gering ist. Aufgrund der geringen Menge an gelöstem Stoff werden sie auch als schwache Lösungen bezeichnet . Ein Beispiel hierfür ist ein Löffel Zucker in heißem Kaffee, der sich dank der großen Menge an Lösungsmittel extrem schnell auflöst.

Im empirischen Ansatz wird eine verdünnte Lösung an Merkmalen wie einem milden Geschmack , einer blassen Farbe oder einer geringen scheinbaren Dichte erkannt . Beispielsweise wird ein Saft, der mit sehr wenig Fruchtkonzentrat und viel Wasser zubereitet wurde, als leicht und nicht sehr süß empfunden.

Konzentrierte Lösungen

Hierbei handelt es sich um Lösungen mit einer großen Menge an gelöstem Stoff im Vergleich zur Menge an Lösungsmittel. Dies kann auch als die maximale Menge des Stoffes interpretiert werden, die sich in der vom Hersteller als angemessen erachteten Menge Lösungsmittel löst. Ein Beispiel hierfür wäre, wenn 10 Gramm Salz in einen halben Liter Wasser gegeben werden oder wenn Limonade mit viel Zucker versetzt wird, bis sie sehr süß ist.

Es ist wichtig zu beachten, dass es empirisch keine exakte Grenze zwischen verdünnten und konzentrierten Lösungen gibt; die Unterscheidung erfolgt anhand qualitativer Kriterien wie Geschmack, Farbe, Viskosität oder wahrgenommener Dichte. Was eine Person als konzentriert empfindet, mag eine andere als angenehm süß wahrnehmen.

Ungesättigte Lösungen

Diese Lösungen zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Konzentration des gelösten Stoffes unterhalb der maximalen Menge liegt, die das Lösungsmittel unter bestimmten Temperatur- und Druckbedingungen lösen kann. Anders ausgedrückt: Es ist noch möglich, weiteren gelösten Stoff zu lösen , ohne dass sich ein Niederschlag bildet. Erfahrungsgemäß handelt es sich um Lösungen, in denen sich bei weiterer Zugabe von gelöstem Stoff dieser problemlos weiter auflöst. Ein Beispiel hierfür wären 30 Gramm Salz in 2 Litern Wasser.

Gesättigte Lösungen

Gesättigte Lösungen sind das genaue Gegenteil ungesättigter Lösungen, da sie die maximale Menge an gelöstem Stoff enthalten , die die Lösung unter bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen aufnehmen kann. Sobald eine Lösung gesättigt ist, löst sich kein weiterer Stoff mehr , wodurch ein dynamisches Gleichgewicht zwischen gelöstem und ungelöstem Stoff entsteht. In der Praxis lässt sich beobachten, dass unabhängig von der Intensität des Rührens immer ein Teil des gelösten Stoffes am Boden des Gefäßes zurückbleibt.

Übersättigte Lösungen

Diese Lösungen enthalten unter gleichen Bedingungen sogar noch mehr gelösten Stoff als gesättigte Lösungen. Sie werden üblicherweise hergestellt, indem die Temperatur des Lösungsmittels erhöht wird, sodass es mehr gelösten Stoff als üblich lösen kann, und anschließend die Mischung ungestört abgekühlt wird. Der überschüssige gelöste Stoff bleibt nur dann gelöst, wenn die erreichten Bedingungen beibehalten werden; bei Abkühlung oder anderen Veränderungen kann ein Großteil des gelösten Stoffes in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehren und auskristallisieren.

Übersättigte Lösungen sind instabil und werden bei geringsten Erschütterungen, plötzlichen Bewegungen oder der Zugabe von gelösten Kristallen schnell gesättigt, wobei der überschüssige gelöste Stoff ausfällt. Dieses Phänomen lässt sich gut in Laborexperimenten und bei der Herstellung von Bonbons und kristallisierten Süßigkeiten beobachten.

Lösungseigenschaften

Lösungen besitzen viele Eigenschaften, eine der wichtigsten ist jedoch die Löslichkeit . Sie beschreibt die Menge eines gelösten Stoffes, die sich bei einer bestimmten Temperatur in einem Lösungsmittel lösen kann, bis sich ein Gleichgewicht einstellt. Jede Verbindung hat ihre eigene Löslichkeit, die von Faktoren wie ihrer chemischen Natur und der des Lösungsmittels abhängt.

Im Kontext von Lösungen gibt es weitere Eigenschaften, die sowohl mit dem gelösten Stoff als auch mit dem Lösungsmittel zusammenhängen. Beim gelösten Stoff sind dies die elektrische Leitfähigkeit (im Falle von Elektrolyten), der Dampfdruck und der Einfluss auf den Gefrier- oder Siedepunkt der Lösung. Beim Lösungsmittel werden Eigenschaften wie Siedepunkt , Schmelzpunkt und Dielektrizitätskonstante untersucht.

Mikroskopisch betrachtet muss für die Bildung einer homogenen Lösung eine gewisse Anziehungskraft zwischen den Molekülen des gelösten Stoffes und des Lösungsmittels bestehen, die die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen des gelösten Stoffes allein überwindet. Dadurch dispergieren die Teilchen des gelösten Stoffes und binden ihrerseits an die Teilchen des Lösungsmittels, wodurch ein homogenes System entsteht.

Ein klassisches Beispiel ist Wasser und Zucker. Gibt man einen Löffel Zucker in ein Glas Wasser, löst er sich auf, weil die Wassermoleküle stark genug sind, um mit den Zuckermolekülen zu reagieren . Dadurch wird die Kristallstruktur des Zuckers aufgebrochen und jedes gelöste Teilchen umhüllt. Das Ergebnis ist eine homogene Flüssigkeit, in der die Zuckerkristalle mit bloßem Auge nicht mehr sichtbar sind.

Die Art und Weise, wie viele empirische Lösungen hergestellt werden (Rühren, Erhitzen, Vermahlen des gelösten Stoffes), beeinflusst ebenfalls die Lösungsgeschwindigkeit . Das Vermahlen eines festen gelösten Stoffes zu feinen Partikeln oder das Erhöhen der Lösungsmitteltemperatur beschleunigt den Prozess in der Regel, selbst wenn keine quantitativen Messungen durchgeführt werden.

Wie werden empirische Lösungen erstellt?

Bei der Herstellung empirischer Lösungen bestimmen persönliche Vorlieben und praktische Erfordernisse die Zusammensetzung . Die Menge an gelöstem Stoff und Lösungsmittel hängt vom Ermessen desjenigen ab, der die Mischung herstellt, ohne genaues Wiegen oder präzise volumetrische Messungen.

Bei solchen Lösungen existieren keine formalen Maßeinheiten . Anstelle von Gramm oder Millilitern werden Ausdrücke wie „ein Teelöffel Salz“, „ein Schuss Milch“, „eine Prise Zucker“ oder „zwei Fingerbreit Alkohol“ verwendet, die eindeutig empirisch sind, da sie die Konzentration nicht in Bezug auf die genaue Masse oder die Stoffmenge angeben.

Die zur Herstellung empirischer Lösungen verwendeten Materialien sind ebenso unkonventionell: Löffel, Tassen, Gläser, Krüge, Handvoll oder mit den Fingern entnommene Mengen. Diese Behälter besitzen keine kalibrierte Volumenanzeige, sodass zwei Personen selbst mit demselben scheinbaren „Maß“ unterschiedliche Mischungen zubereiten können.

Trotz dieser mangelnden Präzision erreichen viele Menschen durch Übung eine bemerkenswerte empirische Reproduzierbarkeit : Sie können beispielsweise dieselbe Kaffeesorte oder denselben Cocktail mit einem sehr ähnlichen Geschmack bei zahlreichen Gelegenheiten zubereiten, allein auf der Grundlage sensorischer Erfahrung.

Alltagsbeispiele für empirische Lösungen

Empirische Lösungen sind im Alltag allgegenwärtig. Einige weitere Beispiele, die über die später genannten hinausgehen, sind:

• CocktailzubereitungObwohl die Mengen an Spirituosen und anderen Zutaten angegeben sind, werden sie in der Praxis üblicherweise nach dem Geschmack desjenigen, der das Getränk zubereitet, oder desjenigen, der es isst, variiert.
• Kuchen und Gebäck herstellen: Eier, Mehl, Milch, Zucker und Öl werden in Mengen vermischt, die oft spontan angepasst werden, um die gewünschte Konsistenz zu erreichen.
• Saucen und EintöpfeDie Menge an Salz, Gewürzen, Brühe oder Wasser wird je nach gewünschtem Geschmack angepasst, ohne abzuwiegen oder exakt abzumessen.
• Säfte und SmoothiesDas Verhältnis von Fruchtfleisch, Wasser, Milch oder Eis wird verändert, um die Getränke dickflüssiger, leichter, süßer oder saurer zu machen.
• Aufgüsse und TeesMan gibt „einen Löffel“ oder „eine Handvoll“ Kräuter in heißes Wasser, wobei die Menge von Person zu Person variiert.

8 Beispiele, die helfen, empirische Lösungen zu ermitteln

1. Bei der Zubereitung eines Kaffee mit MilchDer Kaffee, ein Feststoff (entweder ganze Bohnen oder gemahlener Kaffee, der anschließend extrahiert wird), fungiert als gelöster Stoff, die Milch als Lösungsmittel, da sie flüssig ist. Je nachdem, wie viel Milch oder Kaffee hinzugefügt wird, ist die Mischung heller oder dunkler, ohne dass das genaue Verhältnis abgemessen wird.
2. Schokolade und WasserDie Schokolade (pulverisiert oder geschmolzen) ist der gelöste Stoff und das Wasser das Lösungsmittel. Die Geschmacksintensität hängt davon ab, wie viel Schokolade gelöst ist – ein typisches Beispiel für eine empirische Lösung.
3. Wenn es einer Lösung ausgesetzt wird Wasser und LuftNebel oder Dunst entsteht: Kleine Wassertröpfchen, die in der Luft verteilt sind, bilden ein System, in dem das Gas als Dispersionsmedium dient.
4. Farbe und VerdünnerUm Ölfarbe leichter verarbeiten zu können, muss sie mit Verdünner, dem dafür vorgesehenen Lösungsmittel, verdünnt werden. Die benötigte Menge an Verdünner hängt von der gewünschten Konsistenz ab; es gibt keine exakte Messvorgabe.
5. SeifenwasserIn dieser Lösung ist Wasser das Lösungsmittel und Seife der gelöste Stoff. Je nachdem, wie viel Seife hinzugefügt wird, kann dies auch als Beispiel für eine ungesättigte oder konzentrierte Lösung dienen.
6. Kaffee mit WasserBei der Zubereitung von Filterkaffee oder Instantkaffee mit Wasser entsteht eine weitere empirische Lösung, bei der das Wasser als Lösungsmittel dient und die Kaffeemenge nach Geschmack angepasst wird.
7. ZuckerwasserDer Zucker ist der zu lösende Stoff, das Wasser das Lösungsmittel. Die Süße der Mischung hängt von der empirisch zugegebenen Menge ab.
8. Wasser mit künstlichen SäftenDiese Getränke sind dehydrierte Produkte, die als eine Art aromatisierter Zucker fungieren. Sie funktionieren nach dem gleichen Prinzip wie im vorherigen Beispiel: Die Pulvermenge wird nach Gefühl dosiert, um den gewünschten Geschmack zu erzielen.

Diese ganze Reihe von Beispielen zeigt, wie im Alltag ständig empirische Lösungen hergestellt werden, bei denen es nicht um genaue Zahlen oder Konzentrationen geht, sondern um die intuitive Nutzung von Eigenschaften wie Löslichkeit, Geschmack, Farbe und Konsistenz.