Solut

Eine Substanz, die in einer Flüssigkeit gelöst ist, wird als gelöster Stoff bezeichnet. In der Laborwissenschaft werden diese gelösten Stoffe auch als Analyten bezeichnet. Die Flüssigkeit, in der der gelöste Stoff gelöst ist das Lösungsmittel. Zusammen bilden sie eine Lösung. Jede chemische oder biologische Lösung wird durch ihre grundlegenden Eigenschaften beschrieben, einschliesslich Konzentration, Sättigung, kolligative Eigenschaften, Redoxpotenzial, Leitfähigkeit, Dichte, pH-Wert und Ionenstärke.

Einfluss gelöster Stoffe auf Proteine und Membranfiltration

Gelöste Stoffe, insbesondere Salze, haben einen erheblichen Einfluss auf biologische Makromoleküle wie Proteine. Die Wechselwirkungen zwischen gelösten Ionen und Proteinen können zu Strukturveränderungen führen, die deren Funktionalität beeinflussen. Ein bekanntes Phänomen ist das salting-in und salting-out, bei dem hohe oder sehr niedrige Salzkonzentrationen die Löslichkeit von Proteinen regulieren. Beim salting-out verdrängen hohe Salzkonzentrationen Wasser aus der Hydrathülle der Proteine, was zur Aggregation und Ausfällung führt. Beim salting-in hingegen stabilisieren geringe Salzkonzentrationen die Löslichkeit der Proteine durch elektrostatische Abschirmung.

Diese Effekte spielen eine enorm wichtige Rolle in der Membranfiltration auch dort, wo man es nicht vermuten würde (Ultrafiltration). Salze können nicht nur die Trenneigenschaft von Molekülen beeinflussen, sondern auch die Ladungseigenschaften von Membranmaterialien verändern und dadurch die Permeabilität und Selektivität der Membran modifizieren. Besonders in biotechnologischen und pharmazeutischen Anwendungen ist die Kontrolle der gelösten Ionen für eine Aufreinigung und Trennung von Biomolekülen von allergrösster Wichtigkeit.

Dabei ist das Lösungsmittel der Stoff, in dem sich ein gelöster Stoff auflöst. Der gelöste Stoff ist die Substanz, die sich im Lösungsmittel auflöst. Gelöste Stoffe sind in der Regel gleichmässig (homogen) in der Lösung verteilt. Das gilt für anorganische sowie organische Verbindungen.

Beispiele für gelöste Stoffe sind:

• Salz (Natriumchlorid) in Wasser
• Zucker in Tee oder Kaffee

Löslichkeit

Die Menge eines gelösten Stoffes, die in einer Flüssigkeit aufgelöst werden kann, wird als Löslichkeit bezeichnet, die von der Art des Lösungsmittels, der Temperatur und dem Druck abhängt. Wenn die Löslichkeit eines gelösten Stoffes überschritten wird, beginnt er, aus der Lösung auszufallen und feste Teilchen zu bilden. Die Sättigung einer Lösung gibt wenig spezifische Informationen über die Konzentration der gelösten Stoffe in einer Lösung. Die Temperatur sowie die Anwesenheit anderer Ionen können die Löslichkeitskonstante für einen gelösten Stoff in einer gegebenen Lösung beeinflussen und somit die Sättigung beeinflussen. Im Labor werden zur Beschreibung des Sättigungsgrads die Begriffe verdünnt, konzentriert, gesättigt und übersättigt verwendet.

Verdünnt, konzentriert, gesättigt, übersättigt

Eine verdünnte Lösung ist eine Lösung, die relativ wenig gelöster Stoff vorhanden ist oder eine, die auf eine niedrigere Lösungsmittelkonzentration pro Volumen des Lösungsmittels hergestellt wurde, wie bei der Herstellung einer Verdünnung. Im Gegensatz dazu enthält eine konzentrierte Lösung eine grosse Menge an gelöstem Stoff. Eine Lösung, in der ein Überschuss an ungelösten gelösten Teilchen vorhanden ist, kann als gesättigte Lösung bezeichnet werden. Wie der Name schon sagt, weist eine übersättigte Lösung eine noch höhere Konzentration an ungelösten gelösten Teilchen auf als eine gesättigte Lösung derselben Substanz. Aufgrund der höheren Konzentration an gelösten Teilchen ist eine übersättigte Lösung thermodynamisch instabil. Die Zugabe eines Kristalls des gelösten Stoffes oder mechanische Bewegung stört die übersättigte Lösung, was zur Kristallisation von überschüssigem Material aus der Lösung führt. Ein Beispiel hierfür ist die Messung der Serumosmolalität durch Gefrierpunktserniedrigung.

Kolligative Eigenschaften

Das Verhalten von Partikeln oder gelösten Stoffen in Lösung zeigt vier wiederholbare Eigenschaften, die nur auf der relativen Anzahl der vorhandenen Molekülarten basieren. Die Eigenschaften des osmotischen Drucks, des Dampfdrucks, des Gefrierpunkts und des Siedepunkts werden als kolligative Eigenschaften bezeichnet.

Konzentration

Die Konzentration von gelösten Stoffen in einer Flüssigkeit kann auf verschiedene Weise gemessen werden, z. B. nach als prozentuale Lösung, Gewicht, Molarität oder Molenbruch. Die Konzentration gelöster Stoffe kann auch durch den osmotischen Druck ausgedrückt werden, d. h. den Druck, der auf eine Lösung ausgeübt werden muss, um den Fluss des Lösungsmittels durch eine halbdurchlässige Membran zu verhindern.

Prozentual

Prozentuale Lösungen werden als die Menge des gelösten Stoffes pro 100 Gesamteinheiten der Lösung ausgedrückt. Drei Ausdrucksweisen für prozentuale Lösungen sind:

• Gewicht pro Gewicht (w/w)
• Volumen pro Volumen (v/v)
• Gewicht pro Volumen (w/v)

Für v/v-Lösungen wird empfohlen, Gramm pro Deziliter (g/dL) zu verwenden.

Molarität

Die Molarität (M) wird als Anzahl der Mol pro 1 Liter Lösung ausgedrückt. Ein Mol einer Substanz entspricht ihrem Gramm-Molekulargewicht (gmg), sodass die üblichen Einheiten der Molarität (M) Mol/Liter sind. Die SI-Darstellung für die traditionelle molare Konzentration ist Mol gelöster Stoff pro Volumen der Lösung, wobei das Volumen der Lösung in Litern angegeben wird. Der SI-Ausdruck für die Konzentration sollte als Mol pro Liter (mol/L), Millimol pro Liter (mmol/L), Mikromol pro Liter (µmol/L) und Nanomol pro Liter (nmol/L) angegeben werden. Der bekannte Konzentrationsbegriff Molarität wurde vom SI nicht als Konzentrationsausdruck übernommen. Es sollte auch beachtet werden, dass die Molarität vom Volumen abhängt und alle signifikanten physikalischen Veränderungen, die das Volumen beeinflussen, wie Temperatur- und Druckänderungen, auch die Molarität beeinflussen.

Molalität

Die Molalität (m) gibt die Menge des gelösten Stoffes pro 1 kg Lösungsmittel an. Die Molalität wird manchmal mit der Molarität verwechselt, kann jedoch leicht von der Molarität unterschieden werden, da die Molalität immer in Gewicht pro Gewicht oder Mol pro Kilogramm ausgedrückt wird und Mol pro 1'000 g (1 kg) Lösungsmittel beschreibt. Beachte, dass die gebräuchliche Abkürzung (m) für Molalität ein kleines „m“ ist, während das grosse „M“ für Molarität steht. Um Verwechslungen zu vermeiden, wird für Molalität jedoch der Ausdruck Mol pro Kilogramm (mol/kg) bevorzugt. Im Gegensatz zur Molarität wird die Molalität nicht durch Temperatur oder Druck beeinflusst, da sie auf Masse und nicht auf Volumen basiert. Prozentuale Volumenanteile werden in Prozent (v/v) angegeben.

Normalität

Normalität wird häufig bei chemischen Titrationen und der Klassifizierung chemischer Reagenzien verwendet. Sie ist definiert als die Anzahl der Gramm-Äquivalentgewichte pro 1 l Lösung. Ein Äquivalentgewicht entspricht dem gmw einer Substanz geteilt durch ihre Wertigkeit. Die Wertigkeit ist die Anzahl der Einheiten, die sich mit 1 Mol Wasserstoffionen für Säuren und Hydroxidionen bei Basen und die Anzahl der bei Oxidations-Reduktions-Reaktionen ausgetauschten Elektronen. Es handelt sich um die Anzahl der Atome/Elemente, die sich zu einer bestimmten Verbindung zusammenschliessen können, daher ist das Äquivalentgewicht das Gramm-Kombinationsgewicht eines Materials. Die Normalität ist immer gleich oder grösser als die Molarität dieser Verbindung. Die Normalität wurde früher für die Angabe von Elektrolytwerten wie Natrium [Na+], Kalium [K+] und Chlorid [Cl-], ausgedrückt als Milliäquivalente pro Liter (mEq/L); diese Konvention wurde jedoch durch die bekannteren Einheiten Millimol pro Liter (mmol/L) ersetzt.

Einfluss auf Proteine

Gelöste Stoffe können die Eigenschaften einer Lösung, wie pH-Wert, Gefrierpunkt und Siedepunkt, erheblich beeinflussen. Sie können auch das Verhalten anderer gelöster Stoffe, wie Proteine und Enzyme, beeinflussen und die Stabilität und Haltbarkeit von Produkten beeinträchtigen.

Semipermeable Membranen

Mit semipermeablen Membranen kann die gelöste Substanz abgetrennt werden. Membranen lassen selektiv bestimmte gelöste Stoffe durch, während sie andere zurückhalten.