MATERIAŁY Z KURSU KWALIFIKACYJNEGO

Transkrypt

1 Wszystkie materiały tworzone i przekazywane przez Wykładowców NPDN PROTOTO są chronione prawem autorskim i przeznaczone wyłącznie do użytku prywatnego. MATERIAŁY Z KURSU KWALIFIKACYJNEGO

2 Wiązania chemiczne w świetle mechaniki kwantowej dr Jakub Guzy

3 ELEMENTY MECHANIKI KWANTOWEJ W UJĘCIU JAKOŚCIOWYM. Dualizm korpuskularno-falowy Zasada nieoznaczoności Heisenberga Orbital atomowy Stany kwantowe KONFIGURACJA ELEKTRONOWA ATOMÓW. ORBITALE MOLEKULARNE Budowa cząsteczki Teoria orbitali molekularnych Kryteria doboru orbitali atomowych Typy orbitali molekularnych Podobieństwa i różnice pomiędzy orbitalami atomowymi OA i molekularnymi OM Cząsteczki dwuatomowe homojądrowe. Cząsteczki dwuatomowe heterojądrowe. BUDOWA CZĄSTECZEK WIELOATOMOWYCH Hybrydyzacja orbitali atomowych Rodzaje hybrydyzacji Teoria VSEPR

4 ELEMENTY MECHANIKI KWANTOWEJ W UJĘCIU JAKOŚCIOWYM Dualizm korpuskularno-falowy Współczesna nauka opiera opis atomu na dualizmie korpuskularno falowym elementarnych cząstek materii. Według hipotezy de Broglie`a ruch elementarnych cząstek materii należy rozważać jako ruch korpuskuł (cząstek) ujawniających cechy falowe. Każdej cząstce można przypisać falę o długości: Zasada nieoznaczoności Heisenberga Nie można jednocześnie ustalić dokładnie prędkości i położenia elektronu. Im mniejszy jest błąd określenia położenia elektronu x tym większy jest błąd określenia prędkości v i odwrotnie: v x const Mechanika kwantowa nie jest w stanie określić dokładnie ani położenia ani prędkości elektronu w atomie bądź cząsteczce. Z tego powodu operuje się prawdopodobieństwem znalezienia elektronu w danym obszarze.

5 Orbital atomowy OA Zgodnie z teorią Schrödingera stan elektronu w atomie opisuje funkcja falowa Y, nazwana orbitalem, kwadrat tej funkcji daje prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w danym obszarze wokół jądra, energia elektronów jest kwantowana a geometryczne kształty orbitali wskazują na przestrzenny rozkład prawdopodobieństwa znalezienia elektronu opisanego danym orbitalem. Znane orbitale to orbital s, p, d i f, każdy stan kwantowy elektronu jest opisany za pomocą czterech liczb kwantowych, tj. główna liczba kwantowa - n, poboczna liczba kwantowa - l, magnetyczna liczba kwantowa - m i magnetyczna spinowa liczba kwantowa - ms Funkcja falowa Y jest amplitudą prawdopodobieństwa w punkcie przestrzeni określonym współrzędnymi x, y, z. W przypadku elektronu funkcja falowa Y określa zatem prawdopodobieństwo znalezienia tej cząstki w określonym miejscu przestrzeni wokół atomu, a także określa najbardziej prawdopodobne wartości jego energii.

6 Graficzny zapis orbitalu Obrazem graficznym orbitalu jest fragment przestrzeni, w której prawdopodobieństwo znalezienia elektronu jest duże. Każdy orbital ma inny kształt i orientację przestrzenną, a zajmujący go elektron charakteryzuje się inną energia. Orbitale zdegenerowane, to takie, które różnią się od siebie tylko położeniem w przestrzeni ( orbitale p; orbitale d; orbitale f) Orbital typu s Orbital typu p Orbital typu d Orbitale typu s mają kształt kuli Orbital p jest trójkrotnie zdegenerowany, ze względu na równocenność energety czną orbitali px, py i pz. Orbital d jest pięciokrotnie zdegenerowany, a f siedmiokrotnie.

7 Stany kwantowe Ruch elektronu w atomie charakteryzuje się podając: - orbitalny moment pędu M L /ruch postępowy/ - własny moment pędu zwany spinem M S / ruch wirowy/ Momenty pędów elektronów mogą przyjmować tylko określone wartości, są wielkościami skwantowanymi. Składowe wektorów momentów pędu w stosunku do kierunku wyróżnionego w przestrzeni są więc wielkościami skwantowanymi. Na całkowitą energię elektronu w atomie składa się jego energia kinetyczna i potencjalna. Wartości energii są wielkościami skwantowanymi, czyli mogą przyjmować tylko określone wartości. Wartości tych wielkości fizycznych określa się za pomocą parametrów zwanych liczbami kwantowymi.

8 Wyróżnia się pięć liczb kwantowych, które odnoszą się do atomu GŁÓWNA LICZBA KWANTOWA ORBITALNA LICZBA KWANTOWA MAGNETYCZNA ORBITALNA LICZBA KWANTOWA SPINOWA LICZBA KWANTOWA MAGNETYCZNA SPINOWA LICZBA KWANTOWA n l m l s m s Jest związana z energią elektronu. Charakteryzuje stan elektronu wynikający z odległości od jądra. Charakteryzuje stan elektronu związany z orbitalnym momentem pędu. Jest również związana z energią elektronu. Na podstawie jej wartości określa się kształt przestrzenny orbitalu. Charakteryzuje składową wektora orbitalnego momentu pędu elektronu. Określa zachowanie elektronu w zewnętrznym polu magnetycznym Na podstawie jej wartości określa się orientację przestrzenną orbitalu. Charakteryzuje własny moment pędu elektronu (spin). Może przyjmować tylko jedną wartość s=1/2 Charakteryzuje składową wektora własnego momentu pędu elektronu (spinu). Liczba m s decyduje o możliwości łączenia się elektronów w pary

9 Liczba kwantowa Możliwe wartości Liczba możliwych wartości Znaczenie liczby n główna kolejne liczby naturalne: 1,2,3... nieograniczona decyduje o wielkości orbitalu l poboczna kolejne liczby całkowite od 0 do (n-1) włącznie zależy od n informuje o kształcie orbitalu (s,p,d.f.) m magnetyczna liczby całkowite od -l do +l (z 0 ) zależy od l i wynosi (2l+1) decyduje o orientacji przestrzennej orbitalu określa liczbę orbitali w danej podpowłoce ms magnetyczna spinowa ½ lub ½ 2 decyduje o orientacji przestrzennej spinu

10 KONFIGURACJA ELEKTRONOWA ATOMÓW Konfiguracja elektronowa to sposób opisu elektronów danego atomu przez orbitale. Aby poprawnie zapisać konfigurację danego atomu należy: Opisywać elektrony na orbitalach zgodnie ze wzrostem ich energii orbitalnej Przestrzegać reguły Hunda Liczba niesparowanych elektronów w podpowłoce powinna być jak największa. Niesparowane elektrony mają jednakowy spin. Reguła Hunda dotyczy orbitali zdegenerowanych, czyli takich, które różnią się od siebie tylko położeniem w przestrzeni ( orbitale p; orbitale d) Przestrzegać zakazu Pauliego Atom nie może mieć dwóch elektronów o takich samych wartościach wszystkich czterech liczb kwantowych. Muszą się różnić przynajmniej jedną ( najczęściej m s ).

11 TEORIA KWANTOWA dopuszcza możliwość interpretowania struktury cząsteczki różnymi metodami, z których każda ma charakter przybliżony a wszystkie prowadzą do wniosków niemal takich samych, zgodnych w większości przypadków z danymi eksperymentalnymi. Stosunkowo najprostsza do przedstawienia jest metoda, która zakłada, że wiązania kowalencyjne i kowalencyjne spolaryzowane powstają na skutek nakładania się orbitali atomowych obsadzonych niesparowanymi elektronami i należących do dwóch różnych atomów. Nakładanie się orbitali, rozumianych jako obszary przestrzenne, prowadzi do nowego obszaru orbitalu molekularnego- obejmującego swym zasięgiem oba jądra symetrycznie wiazanie kowalencyjne- lub niesymetrycznie wiązanie kowalencyjne spolaryzowane

12 BUDOWA CZĄSTECZKI Cząsteczka składa się z dwóch lub więcej jader oraz elektronów będących w sferze ich oddziaływania. Zachowanie się elektronów w cząsteczce opisuje się za pomocą funkcji falowych Ψ zwanych orbitalami molekularnymi ( cząsteczkowymi) OM Znajomość tych funkcji pozwala na wyznaczenie prawdopodobieństwa przebywania elektronu w określonym obszarze cząsteczki. Powstające pomiędzy atomami wiązania mogą być: Zlokalizowane wiążąca para elektronów jest wspólna wyłącznie dla dwóch jąder atomów Zdelokalizowane elektrony biorące udział w wytworzeniu wiązania pozostają w zasięgu oddziaływania kilku jąder atomowych

13 TEORIA ORBITALI MOLEKULARNYCH Bada stany energetyczne, które może osiągnąć elektron wchodzący w skład wiązania w polu wszystkich jąder atomowych cząsteczki. Teoria ta zakłada, że podczas powstawania wiązania chemicznego chmury elektronowe orbitali (zawierających niesparowany elektron) każdego z wiążących się atomów przenikają się lub nakładają nawzajem i powstają w ten sposób tzw. orbitale molekularne. Pozwala to traktować funkcję falową elektronu w cząsteczce jako liniową kombinację funkcji falowych opisujących orbitale atomowe. Przy kombinacji dwu orbitali atomowych tworzą się dwa energetycznie różne orbitale cząsteczkowe, jeden (nisko energetyczny) wiążący i jeden (wysoko energetyczny) antywiążący. Orbitalowi molekularnemu wiążącemu odpowiada energia niższa od energii elektronów izolowanych atomów, orbitalowi antywiążącemu energia wyższa. Energia orbitali atomowych i molekularnych

14 Dla cząsteczki złożonej z dwóch atomów A i B, powstają dwa orbitale molekularne cząsteczkowe wiążący c A A oraz orbital antywiążący c B B W równaniu stałe c A i c B dobrane są tak, by energia orbitalu cząsteczkowego osiągała minimum. c A A c B B Różnica pomiędzy orbitalem wiążącym i antywiążącym polega na zwiększonym prawdopodobieństwie napotkania elektronu pomiędzy jądrami w przypadku orbitalu wiążącego, oraz w najbliższym otoczeniu poza jądrami w przypadku orbitalu antywiążącego.

15 Kryteria doboru orbitali atomowych Do wyznaczania orbitalu molekularnego nadają się wyłącznie, te orbitale atomowe, które opisując elektrony walencyjne atomów wchodzących w skład cząsteczki, spełniają następujące warunki: 1. Mają porównywalne energie 2. Wzajemnie się nakładają 3. Wykazują jednakową symetrię w stosunku do prostej łączącej jądra atomów. Nie nakładają się Im pełniejsze jest wzajemne przenikanie się orbitali, tym większa jest trwałość tworzonego wiązania. Jeżeli przejściu elektronów z orbitali atomowych na orbitale cząsteczkowe towarzyszy wydzielanie energii, to cząsteczka oczywiście stanowi układ bardziej trwały od atomów, co równoznaczne jest z wytworzeniem wiązania.

16 Typy orbitali molekularnych Nakładanie czołowe orbitali atomowych (wzdłuż prostej łączącej jądra) powoduje powstawanie orbitali molekularnych typu σ (sigma) Orbitale typu σ mogą powstać z orbitali atomowych tego samego typu (s - s; p y - p y; ) lub różnego typu (s p). Orbital wiążący σ charakteryzuje się zwiększoną gęstością elektronów w przestrzeni między jądrami. Para elektronów zajmująca ten orbital nosi nazwę wiążącej i tworzy trwałe wiązanie. Orbital antywiążący σ* charakteryzuje się mniejszą gęstością elektronów w przestrzeni między jądrami, co powoduje, że jądra atomów odpychają się.

17 Nakładanie boczne orbitali atomowych powoduje powstawanie orbitali molekularnych typu π (pi) Osie symetrii orbitali są prostopadłe do prostej łączącej jądra atomów. Orbitale typu π mogą powstawać z orbitali tego samego typu (p x p x ; p z p z ) lub różnego typu (p d). Wiązania pojedyncze zawsze są wiązaniami sigma, natomiast wiązania wielokrotne (podwójne, potrójne), posiadają jedno wiązanie sigma i pozostałe wiązania typu pi. Wiązania pi są słabsze od wiązań sigma i łatwiej ulegają rozerwaniu.

18 Podobieństwa i różnice pomiędzy orbitalami atomowymi OA i molekularnymi OM Orbital atomowy OA Opisuje zachowanie się pojedynczego elektronu w atomie Jest jednocentrowy opisuje zachowanie elektronu w polu pojedynczego jądra Każdy OA określony jest zespołem liczb kwantowych Każdemu OA odpowiada określona energia orbitalna elektronów Każdy elektron opisany OA ma ściśle określony spin ( ms = -1/2 albo ms = 1/2 Obowiązują: zasada najmniejszej energii, zakaz Pauliego, reguła Hunda Każdy OA opisać może stan max 2 elektronów o przeciwnych spinach Orbital cząsteczkowy OM Opisuje zachowanie się elektronu w cząsteczce Jest wielocentrowy opisuje zachowanie elektronu poruszającego się w polu kilku jąder Każdemu OM można przyporządkować określone liczby kwantowe Każdemu OM odpowiada określona energia orbitalna elektronów Każdy elektron opisany OM ma ściśle określony spin Obowiązują: zasada najmniejszej energii, zakaz Pauliego, reguła Hunda Każdy OM opisać może stan max 2 elektronów o przeciwnych spinach

19 Cząsteczki dwuatomowe homojądrowe. Cząsteczka wodoru Cząsteczka H 2 powstaje w wyniku utworzenia orbitalu cząsteczkowego z orbitali 1s atomów wodoru. Przez nałożenie się dwu orbitali atomowych powstają dwa orbitale cząsteczkowe σ i σ*. W cząsteczce wodoru obydwa elektrony obsadzają orbital o niższej energii, a orbital σ* pozostaje nie zajęty. W czasie tworzenia wiązania wydziela się energia (energia wiązania), a układ jest trwały ze względu na uzyskanie uprzywilejowanego stanu energetycznego charakteryzującego się minimum energii.

20 Cząsteczka azotu U pierwiastków wieloelektronowych przenikanie orbitali głębiej położonych nie odgrywa roli. Cząsteczka N 2 powstaje z dwóch atomów azotu, które w stanie podstawowym maja konfigurację; [ 7N] 1s 2s 2p Dziesięć elektronów walencyjnych obu atomów N po sparowaniu rozmieszcza się w cząsteczce, w kolejności wzrastającej energii, na pięciu najniższych energetycznie orbitalach molekularnych. W cząsteczce azotu powstają trzy pary elektronów wiążących wytwarzające jedno wiązanie typu σ i dwa wiązania typu π Konfiguracja elektronowa cząsteczki N 2 [N ] [1s ][1s ]( 2s) (σ 2s) ( ) 2 2 σ2p 2 y ) ( π2px ) ( π2pz wiazanie σ wiazanie π wiazanie π

21 Cząsteczki dwuatomowe heterojądrowe Budowa cząsteczki LiH Konfiguracja atomu litu i wodoru w stanie podstawowym: [ H] 1s [ Li] 1s 2 2s 1 Wartości energii jonizacji: H = 13,6 ev; Li = 5,4 ev ponieważ energie orbitali są jeszcze porównywalne z orbitalu 2s atomu Li i orbitalu 1s atomu H można utworzyć orbital wiążący σ2s,1s i orbital antywiążący σ * 2s,1s Konfiguracja elektronowa cząsteczki: [LiH] [He]( 2s,1s) 2 Poziom energetyczny orbitalu 1s at. H znajduje się bliżej poziomu orbitalu molekularnego wiążącego niż poziom 2s at. Li. Większy jest zatem udział orbitalu wodoru w orbitalu molekularnym wiążącym cząsteczki, natomiast w orbitalu molekularnym antywiążącym większy udział stanowi orbital litu. Wynika stąd, że para elektronów wiążąca (opisywana orbitalem σ2s,1s) przesunięta jest w kierunku atomu wodoru, nadając mu charakter bardziej elektroujemny.

22 HYBRYDYZACJA ORBITALI WALENCYJNYCH CENTRALNYCH ATOMÓW CZĄSTECZEK Orbitale cząsteczkowe opisujące zachowanie elektronów w cząsteczkach wieloatomowych, utworzone przez proste kombinacje liniowe orbitali atomowych, często nie pozwalają na uzyskanie w obliczeniach zgodnych z doświadczeniem wartości katów miedzy wiązaniami. W przypadku cząsteczek wieloatomowych uzyskuje się wyniki bardziej zgodne z doświadczeniem jeśli do wyliczenia funkcji cząsteczkowych nie posługuje się prostymi orbitalami atomowymi lecz orbitalami mieszanymi zhybrydyzowanymi. HYBRYDYZACJA polega na tworzeniu nowych funkcji falowych dla ATOMU CENTRALNEGO CZĄSTECZKI. Funkcje te tworzy się jako kombinacje liniowe jego orbitali atomowych. Uwaga Hybrydyzacja jest zabiegiem matematycznym, a nie procesem fizycznym. Ułatwia przedstawienie rozkładu przestrzennego.

23 Atom centralny znajduje się w stanie wzbudzonym. Wytworzone orbitale zhybrydyzowane są równocenne energetycznie. Orbitale zhybrydyzowane mają taki sam kształt konturu i określone rozmieszczenie w przestrzeni, które decyduje o kształcie cząsteczki. Każdy z hybrydów złożony jest z dwóch części, rozciągających się po obu stronach jądra: - część dodatnia ( większe prawdopodobieństwo napotkania elektronu) - część ujemna wartości funkcji Liczba powstających hybryd jest równa liczbie orbitali biorących udział w hybrydyzacji

24 Typy hybrydyzacji Typ hybrydyzacji Hybrydyzacja digonalna sp Ilość orbitali tworzących hybrydę Jeden orbital typu s Jeden orbital typu p Układ przestrzenny Kąty miedzy wiązania mi Ilość orbitali zhybrydyzowanych liniowy 180 o Dwa orbitale typu sp Hybrydyzacja trygonalna sp 2 Jeden orbital typu s Dwa orbitale typu p Orbitale skierowane ku wierzchołkom trójkąta foremnego 120 o Trzy orbitale typu sp 2 Hybrydyzacja tetraedryczna sp 3 Jeden orbital typu s Trzy orbitale typu p Cztery orbitale ustawione są w kierunku wierzchołków czworościanu foremnego 109 o 28` Cztery orbitale typu sp 3

25 Hybrydyzacja typu sp Hybrydyzacja sp polega na wymieszaniu się orbitalu s z jednym orbitalem p z wytworzeniem struktury liniowej. Wszystkie wiązania wytworzone z udziałem zhybrydyzowanych orbitali sp leżą wzdłuż jednej prostej. Cząsteczka CH 2 W cząsteczce etynu C 2 H 2 (acetylenu), atomy węgla wytwarzają za pomocą zhybrydyzowanych orbitali sp wiązanie σ wiążąc dwa atomy wodoru i tworząc wiązanie między sobą, a niezhybrydyzowane dwa orbitale p tworzą dwa wiązania π. 6C Stan podstawowy Stan wzbudzony 1s 2 2s 2 2p x1 2p y1 2p z 1s 2 2s 1 2p x1 2p y1 2p z 1

26 Hybrydyzacja typu sp 2 Hybrydyzacja sp 2 polega na wymieszaniu się orbitalu s z dwoma orbitalami p z wytworzeniem struktury płaskiej Wiązania wytworzone z udziałem zhybrydyzowanych orbitali sp 2 leżą na jednej płaszczyźnie, a kąt między nimi wynosi 120. Cząsteczka C 2 H 4 W cząsteczce etenu C 2 H 4 (etylenu), atomy węgla wytwarzają za pomocą zhybrydyzowanych orbitali sp 2 wiązanie σ, wiążąc po dwa atomy wodoru i tworząc wiązanie między sobą, a niezhybrydyzowane orbitale p tworzą wiązanie π. Wszystkie atomy leżą na tej samej płaszczyźnie, a wiązanie π usztywnia cząsteczkę uniemożliwiając swobodny obrót wokół wiązania C-C.

27 Hybrydyzacja typu sp 3 Obsadzone pojedynczymi elektronami orbital s i trzy orbitale p we wzbudzonym atomie węgla ulegają hybrydyzacji dając cztery równocenne zhybrydyzowane orbitale typu sp 3. Odpychanie między czterema równocennymi chmurami elektronowymi jest najmniejsze, gdy ich osie skierowane są od środka czworościanu foremnego ku jego narożom i tworzą kąty 109 o 28' Cząsteczka CH 4 Tworzy cztery wiązania σ z czterema atomami wodoru 6C Stan podstawowy Stan wzbudzony 1s 2 2s 2 2p x1 2p y1 2p z 1s 2 2s 1 2p x1 2p y1 2p z 1

28 METODA VSEPR Metoda ta zakłada, ze budowa przestrzenna cząsteczki zależy od łącznej liczby elektronów wokół atomu centralnego, a orientacja przestrzenna zapewnia minimum energii odpychania elektronów w atomie centralnym W przypadku np..metanu H CH 4 cztery zhybrydyzowane orbitale atomu węgla(sp 3 ) nakładają się z czterema O : orbitalami typu s atomów wodoru. Atom centralny nie ma wolnych par elektronowych. Kąty pomiędzy wiązaniami wynoszą 1s22s22p4 109 o 28 : H wolne pary H20 elektronowe H C H H 1s22s22p2 H CH4 1s2 2sp3 1s22sp3

29 W przypadku amoniaku NH 3 ( hybrydyzacja atomu azotu sp 3 ). Trzy hybrydy uczestniczą w tworzeniu wiązań z atomami wodoru, natomiast czwarta opisuje wolną parę elektronową. Kształt cząsteczki to piramida o podstawie trójkąta. Kąty pomiędzy wiązaniami N-H wynosi106 45' W przypadku cząsteczki wody H 2 O elektrony ostatniej powłoki atomu tlenu ulegają hybrydyzacji typu sp 3. występują dwie hybrydy z wolnymi parami elektronowymi. Kąty pomiędzy wiązaniami O-H 104 o 45

30 Mieszaniny

31 Substancje czyste chemicznie to substancje zawierające tylko jeden rodzaj atomów bądź cząsteczek chemicznych. Mają ściśle określony skład i charakterystyczne właściwości fizyczne i chemiczne. Dzieli się je na pierwiastki i związki chemiczne. Mieszaniny (układy dyspersyjne) to układy złożone z co najmniej dwóch składników, zwanych fazami, z których jeden jest rozproszony w drugim. Fazy zmieszane są ze sobą w określonej (ogólnie jednak dowolnej) proporcji ilościowej, nie są połączone chemicznie, zachowują swoje indywidualne właściwości fizyczne i chemiczne, można je rozdzielić metodami fizycznymi. Zarówno jedną jak i drugą fazę mogą stanowić pierwiastki lub związki chemiczne we wszystkich stanach skupienia. Pojecie układ dyspersyjny z reguły używa się w odniesieniu do mieszaniny, w której drobinki cieczy lub ciała stałego są rozproszone w gazie.

32 Mieszaniny powstają przez zmieszanie ze sobą co najmniej dwóch substancji. Przykłady mieszanin: woda mineralna mleko herbata ropa naftowa

33 Faza: rozproszona rozpraszająca gaz ciecz ciało stałe gaz ciecz ciało stałe roztwory gazowe (np.powietrze) aerozole i mgły (np. deszcz) dymy (np. kurz) piany (np. woda sodowa) roztwory właściwe (np.ocet) emulsje (np.mleko) roztwory właściwe, koloidy i zawiesiny piany stałe (np. pumeks) (np. mokra gąbka) stopy metali (np. brąz)

34 Mieszaniny jednorodne (homogeniczne) Charakteryzuje je rozproszenie molekularne, a rozmiary cząsteczek rozproszonych są wielkości mniejszych od 1 nm. Nazywa się je roztworami właściwymi. Są one jednorodne fizycznie, tzn. każda próbka, pobrana z dowolnego miejsca układu, ma taki sam skład jakościowy i ilościowy. Mieszaniny niejednorodne (heterogeniczne) Charakteryzuje je rozproszenie koloidalne bądź makroskopowe. W pierwszy przypadku nazywamy je koloidami, a rozmiary cząstek rozproszonych zawierają się pomiędzy 1 nm a 100 nm. W drugim przypadku są to zawiesiny, gdzie rozmiary cząstek rozproszonych przewyższają 100 nm. Te ostatnie są zazwyczaj układami nietrwałymi, złożonymi z cząsteczek substancji stałej w cieczy lub gazie.

35 Przykłady mieszanin niejednorodnych: ciecz opiłki żelaza zmieszane z siarką, piasek z wodą, olej z wodą, ciecz woda i atrament, kreda i woda rys.1 emulsje - powstają w wyniku zmieszania dwóch nierozpuszczalnych wzajemnie cieczy, z których jedna jest rozproszona w drugiej np. mleko (pod mikroskopem można dostrzec pojedyncze kulki tłuszczu - rys.1) piana z mydła - pęcherzyki gazu rozproszone w cieczy lub ciele stałym (rys.2) dym - drobiny ciał stałych rozproszone w fazie gazowej pęcherzyki gazu rys. 2 ciecz lub ciało stałe

36 Przykłady mieszanin jednorodnych (homogenicznych): benzyna (mieszanina węglowodorów) solanka (roztwór wodny soli kamiennej) cukier w wodzie powietrze (mieszanina gazów) roztwory wodne soków ocet

37 Rozdzielanie mieszanin Metody pozwalające rozdzielić mieszaniny na składniki polegają na wykorzystaniu różnic we właściwościach fizycznych tych składników, np.: gęstości, temperatury topnienia, rozpuszczalności w wodzie itp.

38 Rozdzielanie mieszanin jednorodnych krystalizacja. Służy do rozdzielenia mieszanin jednorodnych, z których jedna jest cieczą a druga ciałem stałym rozpuszczalnym w wodzie lub innych rozpuszczalnikach. Przykładem takiej substancji może być sól kuchenna, która bardzo dobrze rozpuszcza się w wodzie. Żeby krystalizacja była możliwa, mieszanina (roztwór) musi znajdować się w stanie przesycenia, co osiągamy poprzez odparowanie i ogrzewanie roztworu. W takim roztworze po schłodzeniu, na dnie naczynia tworzą się kryształy

39 Rozdzielanie mieszanin jednorodnych DESTYLACJA proces rozdzielania ciekłych mieszanin wieloskładnikowych, wykorzystujący różną lotność poszczególnych składników Kolba 5 Zestaw do destylacji 4 2. Nasadka destylacyjna 3. Chłodnica 4. Przedłużacz 5. Odbieralnik 6. Termometr

40 Chromatografia Termin chromatografia oznacza efekt rozdziału (separacji) mieszaniny substancji na jej składniki, obserwowany podczas przepływu fazy ruchomej wzdłuż powierzchni fazy nieruchomej. Rys.5 Rys.1 Rys.2 Rys.3 Rys.4 Zasada działania najprostszego chromatografu - fazą stałą jest bibuła (rys.1) a fazą ruchomą ocet (rys.2). Mieszaniną, która podlega rozdziałowi jest tusz mazaka (rys.3), którym rysujemy poziomą kreskę na bibule i zanurzamy w naczyniu z octem (rys. 4). Po pewnym czasie na pasku bibuły obserwujemy różnobarwne smugi (rys.5) Najprostszym przykładem zastosowania chromatografii może być zwykły domowy filtr do oczyszczania wody.

41 Odparowanie Odparowanie ma zastosowanie do rozdzielania mieszanin jednorodnych na przykład solanki (woda + sól). Przepuszczając taką mieszaninę przez filtr nie jesteśmy w stanie jej rozdzielić (rys.1). Odparowanie (zatężanie) polega na ogrzewaniu mieszaniny z której odparowuje woda a w naczyniu pozostaje sól. Proces ten może być przeprowadzony w parownicy lub szkiełku. Przed rozpoczęciem odparowania naczynie napełniamy roztworem co najwyżej do połowy, Następnie ustawicznie mieszając bagietką podgrzewamy naczynie na małym ogniu. Usuwamy palnik po odparowaniu około połowy objętości rozpuszczalnika. Pozostała ilość rozpuszczalnika odparowuje wykorzystując ciepło rozgrzanego naczynia. rys.1

42 Rozdzielanie mieszanin niejednorodnych w postaci dwóch cieczy, które można z łatwością odróżnić. Przykładem takiej mieszaniny jest woda zmieszana z olejem. Te dwie substancje po pewnym czasie rozdzielą się, tworząc dwie warstwy. Olej jako lżejszy od wody, utworzy warstwę górną a woda znajdzie się w warstwie dolnej. Wystarczy wtedy zlać olej z nad wody aby uzyskać rozdzielenie tych dwóch substancji. Dokładniejszy rozdział tych substancji uzyskamy spuszczając dolną warstwę przez zawór, jednocześnie obserwując granicę kontaktu tych dwóch warstw. Przebieg tej metody ilustruje rysunek Rys.1 Rozdzielacz olej woda

43 Rozdzielanie mechaniczne To rozdzielanie mieszanin "silnie niejednorodnych". Proces ten polega na wyjmowaniu np. za pomocą pincety dużych kawałków jednej substancji, np. kulek ołowianych z piasku. Zalicza się do tego typu również: przesiewanie, rozdzielanie magnesem itp.

44 Schemat procesu sedymentacji cząstka ciała stałego ciecz Rys.1 Cząstki ciała stałego są zawieszone w całej powierzchni cieczy ciecz cząstka ciała stałego Rys.2 Po pewnym czasie cząstki ciała stałego opadają na dno Sedymentacja opadanie cząsteczek ciała stałego w cieczy na dno naczynia pod wpływem siły przyciągania ziemskiego (grawitacji). Jest to proces samoczynny

45 Dekantacja Oddzielenie ciała stałego (osadu) od cieczy poprzez zlanie klarownej cieczy z nad osadu. Stosuje się ją do rozdzielania mieszanin, w których jeden ze składników jest cieczą. Dekantacja często jest poprzedzona procesem sedymentacji. Zlewanie należy przeprowadzać ostrożnie i po bagietce. Skuteczniejszą odmianą tego typu procesu jest sączenie.

46 SĄCZENIE (FILTROWANIE) Przykładem filtracji jest rozdzielenie mieszaniny zawierającej drobiny kredy zawieszone w wodzie (rys. 1). W celu rozdzielenia takiej mieszany wystarczy przepuścić ją przez warstwę filtrującą, którą może być zwykła bibuła. Na filtrze pozostaje osad a rozpuszczalnik przenika przez filtr i oczyszczony od osadu spływa do zlewki. W celu przeprowadzenia filtracji sączek z bibuły filtracyjnej układamy w lejku odpowiedniej wielkości, dociskamy do ścianek i zwilżamy wodą destylowaną. Ciecz do filtracji bagietka powoli (najlepiej po bagietce) wlewamy do lejka. Filtr napełniamy do poziomu ok. 1 cm poniżej jego krawędzi. Następną porcję wlewamy do filtru dopiero wtedy, kiedy poprzednia została już kreda przefiltrowana. sączek 1 1 lejek woda Rys. 1.

47 Mieszanina a związek chemiczny MIESZANINY ZWIĄZKI CHEMICZNE Właściwości chemiczne składników są zachowane. Można je rozdzielić na składniki metodami fizycznymi Właściwości fizyczne są zawsze pośrednie. Skład ilościowy i jakościowy może być dowolny. Zawiera różne cząstki składowe. Właściwości chemiczne składników zanikają zupełnie. Można je rozdzielić na składniki, czyli pierwiastki chemiczne, tylko na drodze reakcji chemicznej. Właściwości fizyczne mogą przekraczać wartości charakterystyczne dla pierwiastków, które te związki tworzą. Ma ściśle określony skład jakościowy i ilościowy ( prawo stałości składu). Zawiera cząsteczki jednego rodzaju. Może zawierać wiele składników. Zawiera zwykle niewielką liczbę składników.

48 Metody rozdzielania: ZAWIESINY Mieszaniny niejednorodne, w których średnica cząsteczek substancji rozproszonej jest większa od średnicy ośrodka rozpraszającego i wynosi powyżej 10-7 m. sączenie przez materiał porowaty sedymentacja w polu grawitacyjnym ziemskim dekantacja, tzn. ostrożne zlanie cieczy znad osadu segregacja mechaniczna (jeżeli ziarna poszczególnych składników są dostatecznie duże) Sedymentacja jest jednym z podstawowych procesów wykorzystywanych w oczyszczaniu wody do usuwania z niej cząstek o gęstości większej od gęstości wody, a więc cząstek opadających. Opadanie cząstek w wodzie jest zjawiskiem złożonym i zależy między innymi od ich stężenia, wymiaru, kształtu, gęstości i temperatury oraz prędkości i kierunku przepływu wody. W zależności od charakteru i ilości zawiesin wyróżnia się: - opadanie cząstek ziarnistych - opadanie cząstek kłaczkowatych

49 KOLOIDY Mieszaniny w których średnica cząsteczek substancji rozproszonej jest większa od średnicy cząsteczek ośrodka rozpraszającego, jej wielkość waha się w granicach 10-9 m 10-7 m Stan rozproszenia koloidalnego jest bardzo rozpowszechniony, zarówno w świecie przyrody ożywionej (różnorodne białka, pektyny, węglowodany) i nieożywionej (gliny, mgły, pył wulkaniczny), jak również wśród związków otrzymanych sztucznie w laboratorium chemicznym (mydła, niektóre barwniki, siarka koloidalna, tlenki metali itd.). Oprócz tego w przyrodzie występuje dużo związków, których cząsteczki mają wymiary charakterystyczne dla układów koloidalnych, zwane są one eukoloidami (np. skrobia, celuloza, kauczuk, keratyna, kolagen glikogen itd.), znane są również syntetyczne eukoloidy, jak polistyreny i inne tworzywa sztuczne. Podczas rozpuszczania eukoloidów powstają samorzutnie układy koloidalne. Najbardziej rozpowszechnione są układy koloidalne o ciekłym ośrodku dyspersyjnym, zwane roztworami koloidalnymi, liozolami lub zolami. Jeżeli ośrodek dyspersyjny jest wodą, zwane są hydrozolami, jeżeli alkoholem alkozolami, jeżeli benzenem - benzenozolami itd. Ogólnie, jeżeli ośrodek dyspersyjny jest cieczą organiczną, układy koloidalne nazywa się organozolami, jeżeli zaś gazem gazozolami (w przypadku powietrza - aerozolami).

50 Podział koloidów ze względu na powinowactwo substancji rozproszonej do fazy rozpraszającej Koloidy liofilowe Koloidy liofobowe Koloidy liofilowe charakteryzują się dużym powinowactwem do rozpuszczalnika, cząstki koloidowe otaczają się otoczka solwatacyjną, która jest czynnikiem nadającym im trwałość. Jeśli fazą rozpraszającą jest woda wówczas nazywamy je koloidami hydrofilowymi. Przykłady: żelatyna, białko, insulina, kwas krzemowy Koloidy liofobowe wykazują mniejsze powinowactwo do rozpuszczalnika, nie otaczają się otoczką solwatacyjną. Czynnikiem stabilizującym je jest głównie ładunek elektryczny. Cząstka fazy rozproszonej adsorbuje na swej powierzchni jony określonego jednego znaku Przykłady: zole metali Au, Pt, Ag, chlorek srebra

51 Podział koloidów ze względu na suchą pozostałość powstałą po usunięciu ( odparowaniu) ośrodka rozpraszającego. Koloidy odwracalne Koloidy nieodwracalne Koloidy odwracalne - sucha pozostałość przechodzi z powrotem do roztworu pod działaniem nowej ilości fazy rozpraszającej. Koloidy nieodwracalne brak powtórnego utworzenia roztworu

52 Otrzymywanie koloidów Metody dyspersyjne Polegają na rozdrabnianiu cząstek o wymiarach większych od 500nm, aż do uzyskania wymiarów charakterystycznych dla roztworów koloidalnych. Należą tu głównie: rozdrabnianie mechaniczne (rozcieranie), metoda Brediga, polegająca na rozpyleniu głównie czystych metali w łuku Volty, peptyzacja (polega na działaniu roztworem odpowiedniego elektrolitu na świeżo wytrącony trudno rozpuszczalny osad), rozpylanie za pomocą ultradźwięków, rozpylanie katodowe, termiczne itd. Metody kondensacyjne (rozdrabnianie na drodze przemian chemicznych) Polegają na łączeniu cząsteczek lub jonów w większe zespoły aż do osiągnięcia rozdrobnienia koloidalnego. Najważniejsze z tego typu metod to zmniejszenie rozpuszczalności, redukcja, czasem utlenienie, hydroliza, polimeryzacja, metoda zarodnikowa i inne. Np; 2H S SO 2 AgNO 3 2 NaCl 2H 2 O 3S NaNO 3 AgCl

53 Właściwości mechaniczne Niektóre właściwości układów koloidalnych ruchy Browna Dyfuzja Sedymentacja Osmoza nieustanne, chaotyczne ruchy (postępowe, obrotowe i drgające) cząstek fazy rozproszonej w ośrodku ciekłym lub gazowym Ruch cząsteczek pod wpływem różnicy stężeń pomiędzy rożnymi częściami roztworu (od większego do mniejszego). Tendencja do opadania pod wpływem siły ciężkości. Jednostronna dyfuzja rozpuszczalnika przez błonę półprzepuszczalną. Czynnik warunkujący to ciśnienie osmotyczne. Właściwości optyczne Efekt Tyndalla Rozmiary cząsteczek koloidalnych powodują że światło przepuszczane przez układ koloidalny ulega na cząstkach ugięciu i częściowemu rozproszeniu - charakterystyczny stożek Tyndalla. Intensywność tego zjawiska jest tym większa, im większa jest różnica między współczynnikiem załamania fazy rozproszonej i ośrodka dyspersyjnego.

54 Właściwości elektryczne Na skutek adsorpcji jonów elektrolitu z roztworu na powierzchni cząstki koloidalnej powstaje ładunek elektryczny. W wyniku tej adsorpcji tworzy się podwójna warstwa elektryczna złożona z powłoki wewnętrznej, czyli adsorpcyjnej, przylegającej mocno do powierzchni zewnętrznej, będącej warstwą jonów przeciwnego znaku. Zależnie od tego jakie jony są adsorbowane na powierzchni, cząstka może być naładowana albo ujemnie albo dodatnio. Jednak znak ładunku elektrycznego nie jest ich cechą charakterystyczną. Ta sama bowiem cząstka koloidalna może mieć ładunek dodatni lub ujemny, zależnie od środowiska. Na przykład koloidalny jodek srebra AgJ w roztworze zawierającym jony srebra jest naładowany dodatnio, w roztworze zaś zawierającym jony jodkowe ujemne. Cząstka dowolnego koloidu posiadająca ładunek nosi nazwę miceli.

55 Koagulacja Właściwości elektryczne układów koloidalnych decydują o ich zdolności do koagulacji. Koagulacja polega na zmniejszeniu się stopnia dyspersji układów koloidalnych, a więc na łączeniu się cząstek fazy rozproszonej w większe zespoły w wyniku obniżania ładunku elektrycznego powierzchni cząstki koloidalnej. Podczas koagulacji zole przechodzą w żele (usieciowane koloidy) lub osady. Koagulacja może być odwracalna i nieodwracalna. Odwracalna jest wówczas, gdy żel można z powrotem przeprowadzić w zol. Nosi ona wtedy nazwę peptyzacji. Koagulację koloidów mogą na ogół wywoływać następujące czynniki: - dodatek elektrolitu, - dodatek koloidu o ładunku przeciwnym, co powoduje rozładowanie cząstek, -naświetlanie radiochemiczne (np. promieniowanie b powoduje koagulację zoli dodatnich), - działanie mechaniczne (mieszanie, wytrząsanie), - ogrzewanie (np. ścinanie się białka), - dehydratacja lub desolwatacja przez dodanie środków odwadniających, np. alkoholu lub acetonu, -odparowanie lub wymrażanie ośrodka dyspersyjnego. Peptyzacja Zjawisko przechodzenia osadu koloidalnego lub (żelu) w koloid (odwrotność koagulacji).

56 Koloidy liofobowe Koloidy liofilowe Otrzymywanie metodą dyspersji lub kondensacji przez zwykłe rozpuszczanie Struktura cząstek zespoły cząsteczek cząsteczki olbrzymy Stężenie fazy rozproszonej na ogół nieznaczne może być duże Ruchy Browna występują wyraźnie często bardzo niewyraźne Efekt Tyndalla wyraźny niewyraźny Ładunek elektryczny cząstki są zawsze naładowane ładunek nieznaczny lub brak Lepkość nieznaczna znaczna Tworzenie piany nie tworzą piany łatwo tworzą pianę Tworzenie galaret nie tworzą tworzą łatwo Wrażliwość na elektrolit duża, zachodzi koagulacja mała Trwałość trwałość tych koloidów wiąże się z istnieniem sił elektrostatycznego odpychania cząstek fazy rozproszonej wywołanych przez jednoimienne ładunki powierzchniowe trwałość tych koloidów wiąże się z istnieniem otoczki salwatacyjnej Charakter koagulacji z reguły nieodwracalna z reguły odwracalna

57 Trochę pojęć koagulat - substancja rozpuszczona powstała po odparowaniu rozpuszczalnika z koloidu żel - typowa forma koagulatu, układ o wyglądzie zbliżonym do ciała stałego, często miękki i elastyczny koagulacja - proces przejścia koloidu w koagulat, polega na łączeniu się cząstek koloidalnych w wielkie agregaty tworzące nieregularną sieć peptyzacja - proces przejścia koagulatu w koloid (odwrotność koagulacji) galareta - substancja powstała rozpuszczenia płatków żelatyny w gorącej wodzie i ochłodzeniu roztworu emulsje - są to układy rozproszone, w których zarówno substancja jak i ośrodek rozpraszający są cieczami. emulgator - stabilizujący układ dodawany do typowych emulsji; składa się zazwyczaj z dwóch części: hydrofobowej (zwykle dość długiej i oznaczonej na rysunkach kolorem zielonym) oraz hydrofilowej (niewielkiej oznaczonej na rysunkach kolorem pomarańczowym) piany - są to układy dyspersyjne, w których substancją rozpuszczoną jest gaz, a ośrodkiem dyspersyjnym ciecz lub ciało stałe; z reguły nietrwałe

58 MIESZANINY JEDNORODNE Roztwór - jest jednorodną mieszaniną składającą się z rozpuszczalnika i jednej lub większej ilości substancji rozpuszczonej. Roztwory właściwe złożone są z cząsteczek lub jonów o rozmiarach mniejszych niż 10-9 m. Powszechnie jest używany do roztworów ciekłych. Chemicy mówią również o roztworach gazowych (mieszanina gazów) i o roztworach stałych (stopy). ROZTWORY GAZOWE CIEKŁE STAŁE (stopy)

59 Roztwory ciekłe Roztwory ciekłe powstają przez rozpuszczenie w cieczy substancji gazowych, ciekłych lub stałych. Roztwór rozpuszczalnik substancja rozpuszczona Typy rozpuszczalników roztwór Najważniejszą cechą fizyczną rozpuszczalników jest ich polarność. Rozpuszczalniki polarne tworzą cząsteczki o dużych momentach dipolowych ( woda, amoniak). Na poziomie mikroskopowym substancje rozpuszczone w rozpuszczalnikach polarnych ulegają solwatacji. Cząsteczki rozpuszczalnika zostają uporządkowane wokół cząsteczek rozpuszczonych. W rzeczywistości solwatacja polega na oddziaływaniach typu donor akceptor, niekoniecznie tylko elektrostatycznej natury, dzięki czemu również cząsteczki elektrycznie obojętne mogą ulegać silnej solwatacji.

60 Cząsteczki rozpuszczalników niepolarnych wykazują co najwyżej mały moment dipolowy. Zazwyczaj lepiej rozpuszczają się w nich substancje niepolarne. W takich rozpuszczalnikach cząsteczki oddziałują głownie za pośrednictwem sił van der Waalsa. Niepolarne ciecze są zwykle słabymi rozpuszczalnikami dla cząsteczek polarnych, ponieważ słabe oddziaływania międzycząsteczkowe nie mogą konkurować z silniejszymi oddziaływaniami wewnątrz substancji rozpuszczanej. Na podobnej zasadzie substancje niepolarne nie mogą współzawodniczyć z silnymi oddziaływaniami międzycząsteczkowymi w rozpuszczalnikach polarnych i ich rozpuszczalność jest w takich rozpuszczalnikach słaba. W chemii często cytuje się pożyteczne uogólnienie "podobne rozpuszcza podobne". Oznacza to, że rozpuszczanie występuje wówczas, gdy cząsteczki substancji rozpuszczanej mają strukturę i właściwości elektryczne podobne do cząsteczek rozpuszczalnika.

61 Woda jako rozpuszczalnik Woda jest najbardziej rozpowszechnionym rozpuszczalnikiem. Jednak daleko jej jeszcze do tego, aby być rozpuszczalnikiem uniwersalnym, ponieważ istnieje wielka liczba substancji, które z natury nie rozpuszczają się w wodzie. Jakie są więc czynniki wpływające na rozpuszczalność w wodzie? W przypadku wody sytuacja jest szczególnie złożona, ponieważ występujące wiązanie wodorowe ma tendencję do utrzymywania cząsteczek wody w stanie zasocjowanym. Na ogół woda jest słabym rozpuszczalnikiem dla niejonowych substancji rozpuszczanych. W szczególności węglowodory są praktycznie nierozpuszczalne w wodzie. W tych przypadkach wzajemne oddziaływanie wody i cząsteczek substancji rozpuszczanej jest tak słabe, że nie wydziela się dostatecznie dużo energii do zniszczenia struktury wody. Istnieją jednak pewne substancje, które dobrze rozpuszczają się w wodzie, np. amoniak NH 3 czy alkohol etylowy C 2 H 5 OH. W przypadku amoniaku powstają wiązania wodorowe pomiędzy N z amoniaku i O z wody, a w przypadku alkoholu etylowego- pomiędzy O z alkoholu i O z wody. Cukry jak np. sacharoza C 12 H 22 O 11, swoją znakomitą rozpuszczalność zawdzięczają w dużym stopniu wiązaniu wodorowemu, ponieważ podobnie jak C 2 H 5 OH zawierają one grupy OH. Związki jonowe dobrze rozpuszczają się w wodzie, ponieważ cząsteczki wody stanowią dipole, dzięki czemu mogą atakować zarówno kation na powierzchni kryształu, zbliżając się do niego ujemnym biegunem dipola, jak też mogą wyrwać z sieci jonowej anion, zbliżając się do niego dodatnim biegunem dipola. Każdy jon uwolniony z sieci krystalicznej zostaje otoczony przez kilka cząsteczek wody. Zjawisko takie nosi nazwę hydratacji, w przypadku, gdy rozpuszczalnikiem jest woda. Rozpuszczalność substancji jonowych w wodzie zależy od subtelnej równowagi między energią sieci krystalicznej a energią uwodnienia i entropią jonów.

62 Rozpuszczanie Proces mieszania dwóch substancji prowadzący do otrzymania mieszaniny jednorodnej makroskopowo nazywa się rozpuszczaniem Rozpuszczanie możemy przyspieszyć przez: a) rozdrobnienie substancji rozpuszczanej b) mieszanie c) podgrzewanie Oczywiście prędkość rozpuszczania zależy od substancji, którą rozpuszczamy i użytego rozpuszczalnika. Roztwór nasycony - roztwór, w którym nie można rozpuścić więcej substancji w danej temperaturze. Roztwór nienasycony - roztwór, w którym można rozpuścić więcej substancji w danej temperaturze. Roztwór stężony - roztwór, w którym masa substancji rozpuszczonej jest znaczna (kilkadziesiąt procent) w stosunku do masy wody (rozpuszczalnika). Roztwór rozcieńczony - roztwór, w którym masa substancji rozpuszczonej jest mała (kilka procent) w stosunku do masy rozpuszczalnika. Roztwór przesycony to roztwór o stężeniu większym od stężenia roztworu nasyconego w danej temperaturze. Można go 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.

63 Rozpuszczalność Jest to wielkość, którą wyznacza się doświadczalnie i wyraża ona masę substancji rozpuszczonej wyrażoną w gramach, którą możemy rozpuścić w 100 gramach rozpuszczalnika w określonej temperaturze i ciśnieniu. z utworzeniem roztworu nasyconego. R m m subst rozp 100 m s masa substancji rozpuszczonej w roztworze nasyconym w [g] m rozp masa rozpuszczalnika w [g]. Rozpuszczalność substancji zależy od: rodzaju substancji rozpuszczanej, rodzaju rozpuszczalnika, temperatury ( dla większości substancji), ciśnienia (dla gazów). efektu solnego (dla soli) wpływu wspólnego jonu (dla soli) kompleksowania (dla soli)

64 Rozpuszczalność, wraz ze wzrostem temperatury, z reguły rośnie dla cieczy i ciał stałych, zaś maleje dla gazów. Każdą substancję można zaliczyć do jednej z trzech grup: 1. substancja praktycznie nierozpuszczalna (rozpuszczalność poniżej 0,1g), 2. substancja słabo rozpuszczalna (rozpuszczalność w granicach 0,1-1g), 3. substancja dobrze rozpuszczalna (rozpuszczalność ponad 1g). Do 400g wody w temp.20c dodano 200g substancji po czym okazało się ze rozpuściła się tylko połowa ilości. Oblicz rozpuszczalność tej substancji w danej temp. Dane: m H2O = 400g m 100g subst m S = 200g/2= 100g R m rozp 100 R R 400g 25g 100

65 Stopy Stopami nazywamy stopienie ze sobą dwóch metali lub metali z niemetalami. Stopy posiadają zupełnie inne cechy niż metale wchodzące w ich skład. Obecnie stale stopowe wytwarzane są w wielkiej różnorodności gatunków. Zmienia się nie tylko substancje dodawane do stali, ale także sposoby obróbki cieplnej, by uzyskać materiał o pożądanych własnościach. Stal manganowa zawiera na przykład około 1% węgla i 11 do14% manganu. Używa się jej do wytwarzania elementów narażonych na wzmożone ścieranie. Typowa stal nierdzewna, składa się z żelaza oraz 18% chromu, 8% niklu oraz 0,08% węgla. Inne odmiany stali nierdzewnej zawierają od 12 do 30% chromu, często wraz z mniejszymi ilościami innych metali, jak nikiel, molibden czy miedź. Stopy te są szeroko stosowane w przemyśle oraz w wyrobach codziennego użytku. Stopy na bazie miedzi obejmują brąz, mosiądz oraz stopy miedziowoniklowe. Brąz jest najstarszym znanym stopem. Pierwotnie składał się z 75% miedzi oraz 25% cyny. Dzisiaj nazwa brąz odnosi się do szerokiej gamy stopów na bazie miedzi, zawierających różne dodatki, a niekiedy zupełnie nie zawierających cyny. Spośród najważniejszych odmian brązu należy wymienić fosforobrązy, wytwarzane przez dodanie do 0,5% fosforu do brązu o zawartości 85-90% miedzi. Przy zawartości fosforu nie większej niż 0,3% stop jest sprężysty i niemagnetyczny.

66 Mosiądz to stop miedzi i cynku, łączonych ze sobą w różnych proporcjach. Do tego podstawowego składu dodaje się często inne metale, przykładowo cynę, ołów i aluminium. Mosiądz łuskowy składa się w 70% z miedzi i w 30% z cynku. Mosiądz o dużej wytrzymałości na rozciąganie, twardszy i wytrzymalszy od mosiądzu łuskowego, produkowany jest przez stopienie miedzi i cynku z dodatkiem manganu, żelaza, cyny, ołowiu i aluminium. Jest to materiał łatwy do obróbki i do odlewania. Stopem z grupy mosiądzów jest również nowe srebro, czyli argentan lub po prostu mosiądz wysokoniklowy. Stop ten składa się z miedzi (normalnie około 65%), cynku (około 17%) oraz niklu (18%). Nowe srebro nie zawiera w sobie ani grama srebra, jednak swym wyglądem bardzo przypomina ten szlachetny metal. Stopy aluminium mają stosunkowo krótką historię, gdyż ich wytwarzanie zaczęto w XX wieku. Nadające się do odlewania stopy aluminium zawierają do 15% krzemu oraz niewielkie dodatki metali, takich jak cynk, miedź żelazo, nikiel i mangan. Z tych lekkich stopów odlewane są bloki cylindrów, inne elementy silników spalinowych, a także elementy kadłubów samolotów. Stopy aluminium nadające się do kształtowania w trakcie takich procesów jak kucie, walcowanie lub ciągnięcie zawierają około 7% magnezu i około 1% manganu. Duraluminium zwykle zwiera, oprócz aluminium, 3,5-4,5% miedzi, po 0,4-0,7% magnezu i manganu oraz do 0,7% krzemu.

67 PODSUMOWANIE Mieszanina jednorodna - mieszanina, której składników nie można zobaczyć gołym okiem lub za pomocą przyrządów optycznych. Mieszanina niejednorodna - mieszanina, której składniki można zobaczyć gołym okiem lub za pomocą przyrządów optycznych. Każdą mieszaninę można rozdzielić np.: 1. Mieszaniny ciała stałego w cieczy: ciało stałe można oddzielić od cieczy przez filtrację - ciało stałe zatrzymuje się na bibule, a ciecz przenika przez nią, odwirowanie - ciało stałe zawieszone w cieczy osiada na dnie naczynia wskutek jego szybkiego wirowania, dekantację zlewanie cieczy z nad osadu, odparowanie -rozpuszczalnik odparowuje, a substancja stała pozostaje w naczyniu), krystalizację - ciało stałe w zimnym roztworze osadza się w postaci kryształów, 2. Mieszaniny dwóch cieczy: przez destylację - uwzględniając różnice temperatury wrzenia obu cieczy, w rozdzielaczu -wykorzystuje się różnicę w ciężarze właściwym obu cieczy, metodami chromatograficznymi - różne zabarwienia.

68 mieszaniny związków chemicznych RODZAJE MIESZANIN mieszaniny pierwiastków mieszaniny pierwiastków i związków chemicznych