ROZTWORY -

STĘŻENIA

Chemia roztworów

Układ – wyodrębniony obszar materii oddzielony od otoczenia wyraźnymi granicami

Otoczenie – to wszystko co się znajduje poza układem

Faza układu – jednorodna pod względem fizycznym część układu oddzielona od reszty

układu wyraźną powierzchnią rozdziału

Składnik układu – substancja o określonych właściwościach fizyko-chemicznych

Układ dyspersyjny – układ składający się z fazy zdyspergowanej (rozproszonej) i fazy

dyspersyjnej (rozpraszającej), które mogą występować w różnych stanach skupienia

Roztwór

Homogeniczna mieszanina składająca się z 1 lub więcej substancji

rozpuszczonych w rozpuszczalniku

Skład roztworów określa się przez podanie stężenia składników

Zwykle jeden ze związków chemicznych jest nazywany

rozpuszczalnikiem, a drugi substancją rozpuszczaną

Podział roztworów ze względu na zawartość

substancji rozpuszczonej

Roztwór nienasycony - roztwór, w którym w danej temperaturze można rozpuścić jeszcze

pewną ilość danej substancji

Roztwór nasycony – bez zmian warunków termodynamicznych z roztworu nasyconego nie

wytrąca się żaden osad, ale nie można też w nim rozpuścić już więcej substancji

Roztwór przesycony – roztwór o

stężeniu większym od stężenia

roztworu nasyconego w danej temperaturze

Roztwór nasycony

Roztwór, który w określonych warunkach termodynamicznych (ciśnienie, temperatura) nie zmienia swego stężenia w kontakcie z substancją rozpuszczoną. W praktyce oznacza to, że bez zmian warunków termodynamicznych z roztworu nasyconego nie wytrąca się żaden osad, ale nie można też w nim rozpuścić już więcej substancji.

W roztworze nasyconym, będącym w kontakcie z rozpuszczaną substancją, występuje równowaga dynamiczna, polegająca na tym, że szybkość procesu rozpuszczania i strącania jest dokładnie jednakowa.

Ciekły roztwór nasycony uzyskuje się w laboratoriach zazwyczaj poprzez stopniowe dodawanie rozpuszczanej substancji aż do momentu, gdy jej kolejna porcja już się nie rozpuści. Roztwór nasycony można też otrzymywać przez zmianę warunków termodynamicznych (np. obniżanie temperatury aż do momentu zaobserwowania początków wypadania osadu) lub poprzez powolne odparowywanie rozpuszczalnika.

Bez względu na sposób otrzymania roztwór nasycony w danych warunkach termodynamicznych ma zawsze takie samo stężenie. Stężenie to jest nazywane rozpuszczalnością danej substancji. Informacje o tych stężeniach są gromadzone w rozmaitych bazach danych i poradnikach fizyko-chemicznych.

Roztwór przesycony

Roztwór o stężeniu większym od stężenia roztworu

nasyconego w danej temperaturze. Roztwory przesycone

są przykładami substancji w stanie termodynamicznym niestabilnym.

Roztwór przesycony można otrzymać przez uzyskanie roztworu nasyconego w

temperaturze wyższej, pozbawienie go pozostałej stałej substancji rozpuszczanej (tak żeby

nie było zarodków krystalizacji), a następnie ostrożne oziębianie tego roztworu. Roztwór

przesycony jest termodynamicznie nietrwały. Wprowadzenie zaburzenia (np. wstrząs, kurz)

może spowodować krystalizację nadmiaru substancji rozpuszczonej.

Znanym z życia codziennego przykładem roztworu przesyconego jest miód, w którym

krystalizacja w temperaturze pokojowej może trwać kilka miesięcy, a nawet kilka lat.

Efekt uwalniania ciepła podczas szybkiej krystalizacji z roztworu przesyconego znajduje

zastosowanie np. w ogrzewaczach dłoni

Podział roztworów ze względu na wielkość

rozpuszczonej substancji

Roztwór właściwy - całkowicie jednorodny, tzn. że dla objętości kilkakrotnie większych

od wielkości cząsteczek, każda porcja zawiera taki sam skład ilościowy cząsteczek.

Roztwór koloidalny

Zawiesina - układ niejednorodny, zwykle dwufazowy, w postaci cząstek jednego ciała

rozproszonych (faza rozproszona) w drugim ciele (faza rozpraszająca), np. cząstek ciała

stałego w gazie lub cząstek cieczy w cieczy. Jeżeli cząstki te są dostatecznie małe, mowa

jest o układzie koloidalnym.

Jeżeli gęstość fazy rozproszonej w zawiesinach jest

większa niż gęstość fazy rozpraszającej, to rozproszone

cząstki fazy stałej mają tendencję do sedymentacji (opadania).

Przykładami zawiesiny są zupa, błoto czy woda w jeziorze.

Średnica cząstek w zawiesinie jest większa od 100 nanometrów.

Podział mieszanin ze względu na wielkość drobin

substancji rozpuszczonej

Roztwory koloidalne

Roztwór koloid zawiesina

Układ koloidalny–niejednorodna mieszanina, zwykle dwufazowa, tworząca układ dwóch substancji, w którym jedna z substancji jest rozproszona w drugiej

Rozdrobnienie substancji rozproszonej jest tak duże, że fizycznie mieszanina sprawia wrażenie substancji jednorodnej, jednak nie jest to wymieszanie na poziomie pojedynczych cząsteczek

Właściwości koloidu

W koloidach stopień dyspersji wynosi od 105 do 107 cm-1 – wówczas wielkość cząstek fazy

rozproszonej sprawia, że ważne są zarówno oddziaływania pomiędzy nią a fazą

rozpraszającą, jak i oddziaływania wewnątrz obu faz.

Typowy układ koloidalny (tzw. koloid fazowy) składa się z dwóch faz:

- fazy ciągłej, czyli substancji rozpraszającej, zwanej też ośrodkiem dyspersyjnym albo

dyspergującym

- fazy rozproszonej, czyli substancji zawieszonej (zdyspergowanej) w ośrodku dyspersyjnym i

w nim nierozpuszczalnej (liofobowej, hydrofobowej).

Inny rodzaj koloidów to koloidy cząsteczkowe, gdzie fazą rozproszoną są

makrocząsteczki, na przykład polimery (żelatyna, skrobia, białka) – nie występuje

wówczas wyraźna granica fazowa, bo cząsteczki rozpuszczalnika mogą wnikać do

wewnątrz makrocząsteczki.

Roztwór koloidalny – efekt Tyndalla

Rozproszenie światła na cząsteczkach fazy rozproszonej

Układy koloidalne

Większość układów koloidalnych nazywana jest zolami, przy czym pojęcie zolu jest niejednoznaczne (podobnie niejednoznaczne jest pojęcie aerozolu). Układy koloidalne z fazą ciągłą w postaci gazu to gazozole, natomiast z fazą ciągłą w postaci cieczy to liozole. Ciała stałe i ciecze przenikające się wzajemnie to żele.

Przykłady układów koloidalnych:

pumeks, styropian, mgła, piana,

lakier do paznokci, majonez

Roztwory koloidalne

Koagulacja – zjawisko łączenia się cząstek fazy rozproszonej koloidu w większe zespoły tworzące nieregularną sieć (koagulat) (przejście zolu w żel)

Peptyzacja – zjawisko odwrotne do koagulacji (przejście żelu w zol)

Denaturacja – nieodwracalny proces przechodzenia zolu w żel

koagulacja

zol żel

peptyzacja

Czynniki powodujące proces koagulacji i

denaturacji koloidu

Koagulacja koloidu Denaturacja koloidu

dodanie niektórych elektrolitów dodanie stężonych roztworów kwasów lub

zasad

dodanie nieelektrolitów dodanie roztworów soli metali ciężkich

zmiana temperatury (obniżenie lub

podwyższenie)

dodanie niektórych związków organicznych

(alkoholi, aldehydów)

przepływ prądu elektrycznego wysokie zmiany temperatury

działanie światła

inne

Procesy zachodzące podczas rozpuszczania

solwatacja (której szczególnym przypadkiem jest

hydratacja) - polegająca na otaczaniu przez cząsteczki

rozpuszczalnika, cząsteczek związku rozpuszczanego.

dysocjacja elektrolityczna - polegająca na rozpadzie

związków chemicznych na jony.

tworzenie i zrywanie układu wiązań wodorowych.

Rozpuszczanie w wyniku solwatacji

solwatacja (hydratacja) – polega na otaczaniu cząsteczek

rozpuszczającej się substancji przez cząsteczki rozpuszczalnika

(wody)

Jednostki

Nazwa jednostki Wyjaśnienie skrótu definicja Wyrażenie jako %

wagowe

wartość

procent pro centrum 1*10-2 1 10g / 1 kg

promil pro mille 1*10-3 0,1 1g / 1 kg

ppm parts per milion 1*10-6 0,0001 1mg / 1 kg

ppb parts per bilion 1*10-9 0,0000001 1ug / 1 kg

ppt parts per trilion 1*10-12 0,000000001 1ng / 1kg

Stężenie procentowe

Cp = ms/mr * 100%

ms – masa substancji

mr- masa roztworu

mrozp- masa rozpuszczalnika

mr = ms + mrozp

Zadanie 1

Obliczyć stężenie procentowe roztworu przygotowanego przez rozpuszczenie 25g NaCl w

150g wody.

dane:

ms = 25g

mrozp= 150g

rozwiązanie: Cp = ms/mr * 100%

mr= ms + mrozp Cp = 25g/175g *100% =14,28%

mr = 25g + 150g =175g

Odpowiedź: Stężenie procentowe otrzymanego roztworu wynosi 14,28%.

Stężenie molowe

stężenie molowe – podaje ilość moli substancji rozpuszczonej w

1dm3 roztworu

Cm = n/V

Cm= m/M*V

Cm– stężenie molowe

n –ilość moli substancji rozpuszczonej

v – objętość roztworu

m – masa substancji rozpuszczonej

M – masa molowa substancji rozpuszczonej

Zadanie 2

Ile gramów CaCl2 należy odważyć, aby przygotować 2dm3 3,5 molowego roztworu?

Dane szukane

V= 2 dm3 ms=?

Cm =3,5 mol/dm3

Rozwiązanie

Cm = n/V n = Cm *V

n = 3,5 mol/dm3 * 2 dm3 = 7 moli

n = m/M MCaCl2= 40 g/mol + 2*35,5 g/mol = 111 g/mol

mCaCl2 = 7 moli * 111 g/mol = 777 g

Odpowiedź: Należy odważyć 777 g chlorku wapnia.

Przeliczanie stężeń roztworu

przeliczenie z Cp na stężenie molowe

Cm = Cp*d / 100%*M

przeliczenie z Cm na stężenie procentowe

Cp =Cm*M*100% / d

Cm – stężenie molowe roztworu [mol/dm3]

Cp – stężenie procentowe roztworu [%]

d – gęstość roztworu w g/dm3 (gęstość należy przeliczyć z g/cm3 mnożąc ją przez 1000, np. d = 1,2g/cm 3 = 1200g/dm3)

M – masa molowa [mol/dm3]

Reguła mieszania roztworów o różnych

stężeniach procentowych

Cp1 Cpx – Cp2

liczba jednostek wagowych roztworu o stężeniu Cp1

Cp2 Cp1 - Cpx

liczba jednostek wagowych roztworu o stężeniu Cp2

Reguła mieszania roztworów

60%

10%

Stęż końcowe=20%

20-10 = 10

60-20 = 40

: :

Stąd wynika, że stosunek ilości roztworu o stężeniu: 60% wobec 10% jest równy 10:40tj. 1:4.

Jednostka w stosunku obu roztworów wynika z tego w jakich jednostkach jak stężenie a więc jest to albo objętość, albo masa.

Stąd w powyższym przykładzie jest to stosunek masowy m60% : m10%= 1:4

Reguła mieszania roztworów o różnych

stężeniach molowych

Cm1 Cmx – Cm2

liczba jednostek objętościowych roztworu o stężeniu Cm1

Cm2 Cm1 -Cmx

liczba jednostek objętościowych roztworu o stężeniu Cm2

Rozpuszczalność a rozpuszczanie

Rozpuszczalność - ilość gramów substancji jaką należy

rozpuścić w danej temperaturze w 100g rozpuszczalnika

np. wody aby otrzymać roztwór nasycony.

Rozpuszczanie – proces fizykochemiczny polegający na

takim zmieszaniu ciała stałego, gazu lub cieczy w innej

cieczy lub gazie, że powstaje jednorodna, niemożliwa do

rozdzielenia metodami mechanicznymi mieszanina

(roztwór)

Wpływ temperatury na rozpuszczalność

Wpływ temperatury zależny jest od efektu cieplnego procesu rozpuszczania:

- r. endotermiczna

wzrost temperatury przesunie równowagę w prawo; rozpuszczalność będzie rosła wraz z temperaturą

- r. egzotermiczna

Dostarczenie ciepła poprzez zwiększenie temperatury powoduje przesunięcie równowagi w lewo, a

więc w kierunku mniejszej rozpuszczalności

Wpływ ciśnienia na rozpuszczalność

w danym ciśnieniu i temperaturze ciecz zawiera pewną ilość rozpuszczonych gazów:

rozpuszczalność gazów w cieczach spada (maleje zawartość gazu) wraz ze wzrostem

temperatury i obniżaniem ciśnienia,

rozpuszczalność gazów w cieczach rośnie (rośnie zawartość gazu) wraz z obniżaniem

temperatury i wzrostem ciśnienia

Uwaga

Pamiętamy, aby nie mieszać jednostek objętościowych z masowymi.

A więc zadanie:

W 10 litrach roztworu znajduje się 2 kg substancji. Jakie jest stężenie procentowe

roztworu?

– nie da się rozwiązać dopóki nie zamienimy objętości na masę (wykorzystując gęstość

roztworu).

Zadanie 3

Oblicz rozpuszczalność CuSO4*5H2O w wodzie w temperaturze 70 st. C, skoro wiadomo, że stężenie

nasyconego roztworu siarczanu (VI) miedzi (II) w tej temperaturze wynosi 28,6%.

Założenie mr =100g

250g CuSO4 *5H2O - 160g CuSO4

m1 - 28,6 g

m1 =44,69g

mrozp= 100g – 44,69g = 55,31g

Z definicji rozpuszczalności

44,69g CuSO4*5H2O - 55,31g wody

m2 – 100g wody

m2=80,8g

Rozpuszczalność wynosi 80,8g (na 100g wody)

Zadanie 4

Z 200 g nasyconego w temperaturze 20 st. C roztworu NaCl odparowano wodę, otrzymując 52,9 g soli.

Oblicz rozpuszczalność chlorku sodu w wodzie w temperaturze 20 st. C.

Rozwiązanie

mr=200g

ms=52,9g

mrozp=200g – 52,9g = 147,1g

Z definicji rozpuszczalności

52,9g soli - 147,1g wody

x - 100g wody

x = 35,96g

Odp. Rozpuszczalność chlorku sodu w temperaturze 20 st. C wynosi 35,96g.

Zadanie 5

Sporządzono 105 g nasyconego roztworu azotanu (V) potasu, w temperaturze 60 st. C, który

następnie oziębiono do temperatury 20 st. C.

Oblicz stężenie procentowe roztworu azotanu (V) potasu w temperaturze 20 i 60 st. C

Oblicz ile gramów KNO3 wytrąciło się po obniżeniu temperatury roztworu z 60 do 20 st. C.

Dla temperatury 60 st. C

mr1 = 105g

Z tabeli rozpuszczalności – rozpuszczalność KNO3 w 60 st. C wynosi 110g

czyli ms=110g mrozp= 100 g

mr = ms + mrozp

mr= 110g + 100g =210g

Odpowiedź110g substancji - 210g roztworu

x - 105g roztworu

x=55g

ms1= 55g mr1= 105g mrozp1= 105g - 55g = 50g

Cp = ms/mr * 100%

Cp1 =55g/105g *100% = 52,38%

Dla temperatury 20 st. C

Z tabeli rozpuszczalności – rozpuszczalność KNO3 w 20 st. C wynosi 31,6g

31,6 substancji - 100g wody

y - 50g wody

y = 15,8g

ms2 = 15,8 g mr2 = 15,8g + 50g = 65,8g ∆m = ms1 – ms2 = 55g – 15,8g = 39,2g

Cp = 15,8g / 65,8g * 100% = 24,02%

Zadanie 6

Należy otrzymać 20 g roztworu NaCl o stężeniu 20%, mając do dyspozycji stały NaCl oraz jego roztwór o stężeniu 10%. Ile gramów stałego NaCl oraz jego roztworu o stężeniu 10% należy zmieszać ze sobą, aby otrzymać żądany roztwór?

mr1=20g Cp2 = 10%

Cp1= 20% mr = ms + 16g

Cp =ms/mr * 100% ms = Cp *mr /100% 10% = ms / ms + 16g * 100%

ms1 = 20%*20g / 100% = 4g ms = 1,78g

mrozp = mr – ms mr = 1,78g + 16g = 17,78g

mrozp = 20g – 4g = 16g (stała dla obu roztworów)

∆ms = 4g – 1,78g = 2,22g

Odp. Należy zmieszać 2,22g stałego NaCl i 17,78g roztworu 10%.