Die Löslichkeit unpolarer Gase nimmt mit der Temperatur bis zu einem Minimum ab
Die Gaslöslichkeit in Wasser zeigt ein Minimum, bevor sie bei höheren Temperaturen wieder ansteigt.
Wissenschaftliche Erklärung
In den meisten Lösungsmitteln sinkt die Löslichkeit von Gasen monoton mit steigender Temperatur. In Wasser ist das anders: Die Löslichkeit unpolarer Gase wie Sauerstoff, Stickstoff oder Methan nimmt zunächst ab, durchläuft ein Minimum (typischerweise zwischen 80 und 100 Grad Celsius) und steigt dann bei noch höheren Temperaturen wieder an.
Dieses Verhalten wird durch den hydrophoben Effekt erklärt. Bei niedrigen Temperaturen bilden die Wassermoleküle um ein unpolares Gasmolekül herum sogenannte Clathrat-artige Käfigstrukturen — geordnete Käfige aus Wasserstoffbrückenbindungen, die das Gasmolekül umschliessen. Die Bildung dieser Käfige ist entropisch ungünstig, aber enthalpisch vorteilhaft. Bei Erwärmung werden die Käfigstrukturen instabiler, und die Löslichkeit sinkt.
Bei noch höheren Temperaturen jedoch verändert sich die Natur des Lösungsvorgangs grundlegend. Die Wasserstoffbrückenbindungen werden zunehmend aufgebrochen, das Wasser wird “normaler”, und die Einlagerung von Gasmolekülen wird wieder leichter. Nahe dem kritischen Punkt verhalten sich Wasser und Gas fast beliebig mischbar.
Alltagsrelevanz
Dieses Löslichkeitsminimum erklärt mehrere Alltagsbeobachtungen. Kaltes Wasser kann mehr Sauerstoff lösen als warmes — deshalb enthält ein kalter Gebirgsbach mehr Sauerstoff als ein warmer Teich, was für Fische und andere Wasserorganismen lebenswichtig ist. Die Erwärmung von Gewässern durch den Klimawandel oder Kraftwerkskühlwasser reduziert den Sauerstoffgehalt und gefährdet aquatische Ökosysteme.
Auch beim Öffnen einer warmen Sprudelflasche entweicht mehr Kohlensäure als bei einer kalten — die geringere Gaslöslichkeit bei höherer Temperatur ist direkt spürbar.