Fortgeschritten #75

Die molaren Ionenvolumina von Salzen zeigen Maxima in Abhängigkeit von der Temperatur

Die scheinbaren molaren Volumina von Ionen in Wasser zeigen ungewöhnliche Temperaturmaxima.

Wissenschaftliche Erklärung

Das scheinbare molare Volumen eines Ions beschreibt, wie viel Platz ein Mol dieses Ions in Lösung beansprucht — einschliesslich seiner Wirkung auf das umgebende Wasser. In den meisten Lösungsmitteln ändert sich dieses Volumen monoton mit der Temperatur. In wässrigen Lösungen hingegen zeigen viele Ionen ein Maximum in ihrem scheinbaren molaren Volumen bei bestimmten Temperaturen.

Dieses ungewöhnliche Verhalten spiegelt die komplexe Wechselwirkung zwischen Ionen und dem Wasserstoffbrückennetzwerk wider. Bei niedrigen Temperaturen ordnen sich die Wassermoleküle um ein Ion herum stark geordnet an — das Elektrostriktionseffekt komprimiert das Wasser in der Hydratationsschale. Bei Erwärmung lockert sich die Hydratationsstruktur, und das scheinbare Volumen nimmt zu. Ab einer bestimmten Temperatur jedoch dominiert die allgemeine thermische Ausdehnung des Lösungsmittels, und der Volumenanstieg der Hydrationsschale relativ zum Lösungsmittel kehrt sich um, was zum Maximum führt.

Die Temperatur des Maximums hängt von der Art des Ions ab. Kleine, stark geladene Ionen (wie Na+) zeigen ihr Maximum bei anderen Temperaturen als grössere, schwächer geladene Ionen (wie Cl-). Dies liefert wertvolle Einblicke in die Struktur der Hydratationsschale verschiedener Ionen.

Molar Ionic Volumes Show Temperature Maxima Line chart showing apparent molar volumes of ions in water versus temperature. The curves show maxima at different temperatures depending on the ion, an unusual behavior not seen in most solvents. Two example ion curves are shown with peaks. Apparent Molar Volume (cm³/mol) Temperature (°C) 0 25 50 75 100 Na⁺ max Cl⁻ max Maxima occur at different temperatures Molar Ionic Volumes — Temperature Maxima
Die scheinbaren molaren Volumina von Ionen in Wasser zeigen Temperaturmaxima, die von der Ionenart abhängen.

Alltagsrelevanz

Die Temperaturabhängigkeit der Ionenvolumina hat praktische Bedeutung für die Ozeanografie, wo präzise Dichtedaten von Meerwasser für Strömungsmodelle benötigt werden. Die Dichte von Meerwasser hängt nicht nur von Salzgehalt und Temperatur ab, sondern auch davon, welche spezifischen Ionen in welcher Konzentration vorliegen. Die ungewöhnlichen Volumenmaxima müssen in präzisen Zustandsgleichungen für Meerwasser berücksichtigt werden.

Auch in der chemischen Verfahrenstechnik, wo Salzlösungen bei verschiedenen Temperaturen verarbeitet werden, können diese Volumeneffekte die Prozessauslegung beeinflussen.