Schlüsselkonzepte
Chemie
Lösungen
Mischbarkeit
Polarität
Löslichkeit

Einführung
Sie wissen wahrscheinlich, dass sich einige Flüssigkeiten wie Öl und Wasser nicht miteinander vermischen. Wenn Sie sie in denselben Behälter gießen, bilden sie separate Flüssigkeitsschichten übereinander. Andere Flüssigkeiten, beispielsweise Alkohol und Wasser, können miteinander vermischt werden. Aber wussten Sie, dass Sie beide Flüssigkeiten, sobald Sie sich vermischt haben, wieder in zwei verschiedene Schichten trennen können? Wie kannst du das machen? Die Antwort könnte Sie überraschen – mit Salz! In dieser Aktivität erfahren Sie, wie das funktioniert.

Hintergrund
Wenn zwei Flüssigkeiten miteinander vermischt werden können, sind sie „mischbar“ — sie bilden eine sogenannte homogene Lösung, was bedeutet, dass Sie die beiden Flüssigkeiten nicht mehr unterscheiden können. Wenn sie dagegen nicht gemischt werden können, sind sie „nicht mischbar“ — sie bilden zwei separate Schichten, die als heterogene Lösung bezeichnet werden. Um sich mischen zu können, müssen sich die Moleküle beider Flüssigkeiten gegenseitig anziehen können. Moleküle, die polar sind (was bedeutet, dass ihre elektrische Ladung ungleichmäßig verteilt ist, so dass sie eine positivere und eine negativere Seite haben), neigen dazu, Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden, während unpolare Moleküle (die ein gleiches Ladungsgleichgewicht haben) nicht dazu neigen, solche Bindungen zu bilden. Da Wassermoleküle polar sind, ist jede Flüssigkeit, die keine polaren Moleküle aufweist — wie Öl — normalerweise nicht mit Wasser mischbar.

Alkoholmoleküle haben einen polaren und unpolaren Anteil, was bedeutet, dass sie mit Wasser Wasserstoffbrückenbindungen eingehen und sich daher mit ihm vermischen können. Aber wie kann man diese Bindungen brechen, um beide Flüssigkeiten zu trennen, sobald sie gemischt sind? Sie müssen der Mischung etwas hinzufügen, das mit dem Alkohol bei der Bindung an die Wassermoleküle konkurriert. Eine Substanz, die das kann, ist Salz. Salz ist eine ionische Verbindung, dh es ist eine Substanz, die aus elektrisch geladenen Molekülen besteht, die Ionen genannt werden. Wenn sich ionische Verbindungen in Wasser auflösen, trennen sich die einzelnen Ionen und werden von Wassermolekülen umgeben — ein Prozess, der als Solvatation bezeichnet wird. Da die Salzionen geladen sind, lösen sie sich in einem polaren Lösungsmittel, das ebenfalls etwas stärker geladen ist als ein unpolares Lösungsmittel, viel besser auf. Aus diesem Grund ziehen Salzionen die Wassermoleküle viel stärker an als Alkoholmoleküle, da Alkohol weniger polar ist als Wasser. Dies bedeutet, dass sich bei viel Salz alle Wassermoleküle an die Salzionen binden und keine Wasserstoffbrücken mit den Alkoholmolekülen bilden. Infolgedessen wird der Alkohol mit Wasser nicht mischbar und beginnt eine separate Schicht zu bilden. Dieser Prozess wird als „Aussalzen“ oder „salzinduzierte Phasentrennung“ bezeichnet.“

In der Vergangenheit wurde diese Methode bei der Seifenherstellung verwendet, um Inhaltsstoffe zu entfernen, die nicht im endgültigen Seifenprodukt enthalten sein sollten. Das Aussalzen wird auch häufig in Biochemielabors zur Reinigung von Proteinen verwendet, da verschiedene Proteinmoleküle bei unterschiedlichen Konzentrationen von Salzlösungen nicht mischbar werden. Chemiker verwenden diese Technik, um Flüssigkeiten aus einer Lösung zu extrahieren, was Sie in dieser Aktivität tun werden: Sie trennen eine Mischung aus Alkohol und Wasser mit nur einem Teelöffel Speisesalz!

Materialien

• Vier transparente Minibecher (zwei Unzen) mit Deckel
• Permanentmarker
• Leitungswasser
• Reinigungsalkohol (70 Prozent Isopropylalkohol)
• Speisesalz
• Messlöffel-Set
• Arbeitsbereich, der Verschüttungen tolerieren kann
• Ethanol oder Aceton (erhältlich in Baumärkten) (optional)
• Salzersatz wie Kaliumchlorid oder Bittersalz (optional)

Zubereitung

• Beschriften Sie mit dem Permanentmarker die Minibecher 1, 2, 3 und 4.
• Eineinhalb Esslöffel Wasser in die Tassen 1 und 3 geben.
• Eineinhalb Esslöffel Alkohol in die Tassen 2 und 4 geben.

Vorgehensweise

• Geben Sie einen Teelöffel Salz in das Wasser in Tasse 1. Was passiert mit dem Salz? Löst es sich im Wasser auf?
• Setzen Sie den Deckel auf und schütteln Sie den Becher etwa 20 bis 30 Sekunden lang. Wie sieht die Mischung aus?
• Wiederholen Sie die vorherigen zwei Schritte mit Tasse 2 (mit Reinigungsalkohol). Was passiert diesmal mit dem Salz? Sieht die Mischung anders aus als die Wasser-Salz-Mischung?
• Nehmen Sie die Kappe vom Permanentmarker und schwenken Sie die Spitze etwa 10 Sekunden lang in das Wasser in Tasse 3. Setzen Sie den Deckel auf die Tasse und schütteln Sie ihn fünf Sekunden lang. Löst sich die Tinte im Wasser? Wie sieht die Lösung nach dem Schütteln aus?
• Wiederholen Sie den vorherigen Schritt mit Tasse 4 (Reinigungsalkohol). Sieht die resultierende Mischung anders aus? Wenn ja, was ist anders? Können Sie die Unterschiede erklären?
• Als nächstes gießen Sie den Alkohol aus Tasse 4 in das Wasser in Tasse 3. Setzen Sie den Deckel wieder auf und schwenken Sie die Mischung fünf Sekunden lang. Vermischt sich der Reinigungsalkohol mit dem Wasser? Was passiert mit der Farbe der Mischung? Sehen Sie, wie sich separate Schichten bilden?
• Fügen Sie nun einen Teelöffel Salz zu der Mischung in Tasse 3 hinzu. Setzen Sie den Deckel auf die Tasse und schütteln Sie sie 20 bis 30 Sekunden lang. Was passiert, wenn Sie das Salz zu der Mischung hinzufügen? Sieht die Mischung vor und nach dem Schütteln anders aus? Wenn ja, wie sieht es anders aus? Können Sie Ihre Ergebnisse erklären? Welche Farbe hat die Mischung?
• Extra: Können Sie andere flüssige Mischungen mit Salz trennen? Was ist mit Ethanol und Wasser oder Aceton und Wasser? Probieren Sie verschiedene flüssige Mischungen aus, um es herauszufinden!
• Extra: Gibt es andere Salze — zum Beispiel Kaliumchlorid, ein Salzersatz oder Bittersalz —, mit denen Sie Flüssigkeiten trennen könnten? Wiederholen Sie den Test, verwenden Sie diesmal jedoch ein anderes Salz als Speisesalz. Sehen Sie immer noch die gleichen Ergebnisse? Wenn nicht — wie unterscheiden sich Ihre Ergebnisse?
• Extra: Wie viel Salz benötigen Sie, um den Reinigungsalkohol und das Wasser zu trennen? Finden Sie es heraus, indem Sie die Salzmengen variieren, die Sie der Alkohol-Wasser-Mischung hinzufügen.

Beobachtungen und Ergebnisse
Sie sollten gesehen haben, dass das Salz leicht im Wasser in Tasse 1 gelöst. (Nach dem Schütteln schien das Salz zu verschwinden.) Denken Sie daran, dass dies geschieht, weil sich die ionischen Salzmoleküle leicht an die polaren Wassermoleküle binden. Das Salz löste sich jedoch nicht so leicht in dem Reinigungsalkohol in Tasse 2. (Auch nach dem Schütteln können Sie das Salz noch sehen.) Dies geschieht, weil die Alkoholmoleküle weniger polar sind als Wasser, so dass sich die Salzionen nicht so leicht mit ihnen verbinden.

Mit der Permanentmarker-Tinte sollte man genau das Gegenteil beobachtet haben. Die Tinte löst sich nicht gut in Wasser, aber es tut leicht in dem Alkohol, wobei letztere viel mehr Farbe. Dies liegt an der Tatsache, dass Alkohol auch einen Teil seines Moleküls hat, der keine Ladungen aufweist und unpolar ist. Dieser Teil ist kompatibler mit unpolaren Molekülen wie der Markertinte.

Wenn Sie den Reinigungsalkohol mit Wasser mischen, bilden dessen Moleküle Wasserstoffbrückenbindungen mit den Wassermolekülen. Der Alkohol löst sich im Wasser zu einer homogenen Lösung auf, sodass man Alkohol und Wasser nicht mehr unterscheiden kann. Wenn Sie der Mischung jedoch Salz hinzufügen, möchte sich das Salz im Wasser auflösen und konkurriert mit dem Alkohol um die Wassermoleküle. Da weniger Wassermoleküle zur Verfügung stehen, um Wasserstoffbrückenbindungen mit den Alkoholmolekülen herzustellen, wird der Alkohol in der Wasser–Alkohol-Mischung weniger löslich und bildet schließlich eine separate Schicht auf dem Wasser. Beide Schichten sollten eine andere Farbe haben, wobei das Wasser meistens klar und der Alkohol farbiger ist. Dies geschieht, weil die Markertinte im Reinigungsalkohol löslicher ist.

Cleanup
Spülen Sie alle Ihre Mischungen mit viel kaltem Wasser in die Spüle. Waschen Sie Ihre Hände und reinigen Sie Ihren Arbeitsbereich.

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