Haupteigenschaften und Wasserverlust
Das Verhalten von Kristallhydraten wird weitgehend dadurch bestimmt, wie fest die Wassermoleküle in ihrer Struktur gehalten werden. Es gibt zwei Hauptwege für den Verlust dieser Feuchtigkeit:
- Verwitterung. Dies ist ein spontaner Prozess, bei dem die Substanz ihr Kristallwasser einfach durch den Aufenthalt in trockener Luft verliert. Ein zusätzliches Erhitzen ist dafür nicht erforderlich.
- Thermische Behandlung. Beim Erhitzen zersetzen sich die meisten Hydrate und verwandeln sich in gewöhnliche wasserfreie Salze. In einigen Fällen ist das Wasser jedoch so fest gebunden, dass extreme Bedingungen erforderlich sind. Beispielsweise gibt die Verbindung $CaCl_2 \cdot 6H_2O$ ihre gesamte Feuchtigkeit erst bei Erreichen einer Temperatur von $300^\circ \text{C}$ ab.
Eben dank der Fähigkeit, Wasser fest zu binden, werden die gewonnenen wasserfreien Salze (wie Calciumchlorid $CaCl_2$) in der Chemie aktiv als zuverlässige Trocknungsmittel zum Entfeuchten anderer Substanzen eingesetzt.
Interessanterweise bildet sich die Zusammensetzung des entstehenden Kristalls bereits in der Kristallisationsphase heraus und hängt direkt vom Temperaturregime ab. Ein klassisches Beispiel ist Natriumcarbonat:
- Liegt die Temperatur der Lösung unter $32^\circ \text{C}$, bildet sich ein Kristall mit zehn Wassermolekülen — $Na_2CO_3 \cdot 10H_2O$.
- Läuft der Prozess bei einer Temperatur über $32^\circ \text{C}$ ab, entsteht eine Verbindung mit nur einem Wassermolekül — $Na_2CO_3 \cdot H_2O$.
Formelbestimmung (Berechnung anhand eines Beispiels)
Um die genaue chemische Formel zu ermitteln, messen Chemiker den Massenverlust der Substanz beim vollständigen Trocknen. Betrachten wir dies an einer klassischen Aufgabe mit Natriumcarbonat.
Gegeben: Aus einer 40%igen Lösung wurden Kristalle mit einer Masse von $14,3$ g abgetrennt. Danach wurden sie in einem Exsikkator über Phosphorpentoxid ($P_2O_5$) bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Als Ergebnis blieb ein wasserfreies Pulver mit einer Masse von $5,3$ g zurück.
Der Prozess wird durch ein einfaches Dehydratisierungsschema beschrieben: $Na_2CO_3 \cdot xH_2O \rightarrow Na_2CO_3 + xH_2O$
Für die Berechnung benötigen wir die molaren Massen: $M(Na_2CO_3) = 106$ g/mol und $M(H_2O) = 18$ g/mol. Die Masse des verdampften Wassers beträgt die Differenz zwischen Anfangs- und Endmasse: $14,3$ g $-$ $5,3$ g $=$ $9,0$ g.
Lösungsweg: Wir verwenden die stöchiometrische Regel. Das Verhältnis der Masse der Ausgangsfeuchtsubstanz zu ihrer gesamten molaren Masse wird dem Verhältnis der Masse des entwichenen Wassers zur molaren Masse dieses Wassers gleichgesetzt (unbedingt unter Berücksichtigung des unbekannten Koeffizienten $x$).
Die Gleichung sieht wie folgt aus: $14,3 / (106 + 18x) = 9,0 / 18x$
Durch das Lösen dieser mathematischen Proportion finden wir, dass $x = 10$. Schlussfolgerung: Die gesuchte Formel der untersuchten Substanz lautet $Na_2CO_3 \cdot 10H_2O$.
Nomenklatur
Die Namen von Kristallhydraten werden nach einer strengen, aber einfachen Logik gebildet. Benennungsschema: [Griechisches Zahlwort] + „hydrat“ + [Name des Salzes].
Unten ist eine Tabelle der wichtigsten Präfixe und der entsprechenden Beispiele dargestellt:
| Anzahl der Moleküle | Präfix | Formelbeispiel | Name |
|---|---|---|---|
| 1 | Mono- | $LiCl \cdot H_2O$ | Lithiumchlorid-Monohydrat |
| 2 | Di- | $CaSO_4 \cdot 2H_2O$ | Calciumsulfat-Dihydrat |
| 3 | Tri- | $CH_3COONa \cdot 3H_2O$ | Natriumacetat-Trihydrat |
| 4 | Tetra- | $CaBr_2 \cdot 4H_2O$ | Calciumbromid-Tetrahydrat |
| 5 | Penta- | $Na_2S_2O_3 \cdot 5H_2O$ | Natriumthiosulfat-Pentahydrat |
| 6 | Hexa- | $AlCl_3 \cdot 6H_2O$ | Aluminiumchlorid-Hexahydrat |
| 7 | Hepta- | $FeSO_4 \cdot 7H_2O$ | Eisen(II)-sulfat-Hepta-hydrat |
| 8 | Okta- | $MgI_2 \cdot 8H_2O$ | Magnesiumiodid-Oktahydrat |
| 9 | Nona- | $Al(NO_3)_3 \cdot 9H_2O$ | Aluminiumnitrat-Nonahydrat |
| 10 | Deca- | $Na_2SO_4 \cdot 10H_2O$ | Natriumsulfat-Decahydrat |
| 12 | Dodeca- | $KAl(SO_4)_2 \cdot 12H_2O$ | Kalium-Aluminium-Sulfat-Dodecahydrat |
Fragen aus Vorlesungen und Prüfungen
Worin besteht der Unterschied zwischen thermischer Behandlung und Verwitterung?
Auswitterung ist der Verlust von Wasser in trockener Luft ohne Erhitzen. Die thermische Behandlung beinhaltet eine gezielte Temperaturerhöhung, die erforderlich ist, um starke Bindungen zum Wasser aufzubrechen (wie im Fall von Calciumchlorid-Hexahydrat, das 300 Grad erfordert).
Warum kann dasselbe Salz unterschiedliche Hydratformen aufweisen?
Die Anzahl der Wassermoleküle, die in die Kristallstruktur eingebaut werden, hängt von den Temperaturbedingungen zum Zeitpunkt der Kristallisation ab. Beispielsweise bildet Natriumcarbonat bei niedrigen Temperaturen ein Decahydrat und bei Temperaturen über 32 Grad ein Monohydrat.
Wie wird die molare Massen eines unbekannten Hydrats berechnet?
Sie setzt sich aus der molaren Masse des Salzes selbst und der molaren Masse des Wassers, multipliziert mit einem unbekannten Koeffizienten „x“ (z. B. 106 + 18x), zusammen. Dieser Koeffizient wird anschließend über eine Proporzrechnung anhand des Massenverlusts ermittelt.
Was es zum Thema noch zu wiederholen gibt
- Abhängigkeit der Zusammensetzung von Kristallhydraten von den Kristallisationstemperaturen.
- Verwendung von wasserfreiem Calciumchlorid als Labor-Feuchtigkeitsabsorber.
- Stöchiometrische Berechnungen von Salzdehydratisierungsprozessen.
- Mechanismen der natürlichen Auswitterung von Kristallen an trockener Luft.
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