Układ Otoczenie Faza układu Składnik układu Układ dyspersyjny

Transkrypt

1 ROZTWORY - STĘŻENIA

2 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

3 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

4 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

5 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 fizykochemicznych.

6 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

7 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.

8 Podział mieszanin ze względu na wielkość drobin substancji rozpuszczonej

9 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

10 Właściwości koloidu W koloidach stopień dyspersji wynosi od 10 5 do 10 7 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.

11 Roztwór koloidalny efekt Tyndalla Rozproszenie światła na cząsteczkach fazy rozproszonej

12 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

13 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 zol koagulacja żel peptyzacja

14 Czynniki powodujące proces koagulacji i denaturacji koloidu Koagulacja koloidu dodanie niektórych elektrolitów Denaturacja koloidu 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

15 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.

16 Rozpuszczanie w wyniku solwatacji solwatacja (hydratacja) polega na otaczaniu cząsteczek rozpuszczającej się substancji przez cząsteczki rozpuszczalnika (wody)

17 Jednostki Nazwa jednostki Wyjaśnienie skrótu definicja Wyrażenie jako % wagowe wartość procent pro centrum 1* g / 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, ug / 1 kg ppt parts per trilion 1* , ng / 1kg

18 Stężenie procentowe C p = m s /m r * 100% m s masa substancji m r - masa roztworu m rozp - masa rozpuszczalnika m r = m s + m rozp

19 Zadanie 1 Obliczyć stężenie procentowe roztworu przygotowanego przez rozpuszczenie 25g NaCl w 150g wody. dane: m s = 25g m rozp = 150g rozwiązanie: C p = m s /m r * 100% m r = m s + m rozp C p = 25g/175g *100% =14,28% m r = 25g + 150g =175g Odpowiedź: Stężenie procentowe otrzymanego roztworu wynosi 14,28%.

20 Stężenie molowe stężenie molowe podaje ilość moli substancji rozpuszczonej w 1dm3 roztworu C m = m/m*v C m = n/v C m stężenie molowe n ilość moli substancji rozpuszczonej v objętość roztworu m masa substancji rozpuszczonej M masa molowa substancji rozpuszczonej

21 Zadanie 2 Ile gramów CaCl2 należy odważyć, aby przygotować 2dm 3 3,5 molowego roztworu? Dane szukane V= 2 dm 3 m s =? C m =3,5 mol/dm 3 Rozwiązanie C m = n/v n = C m *V n = 3,5 mol/dm 3 * 2 dm 3 = 7 moli n = m/m M CaCl2 = 40 g/mol + 2*35,5 g/mol = 111 g/mol m CaCl2 = 7 moli * 111 g/mol = 777 g Odpowiedź: Należy odważyć 777 g chlorku wapnia.

22 Przeliczanie stężeń roztworu przeliczenie z Cp na stężenie molowe C m = C p *d / 100%*M przeliczenie z Cm na stężenie procentowe C p =C m *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]

23 Reguła mieszania roztworów o różnych stężeniach procentowych C p1 C px C p2 liczba jednostek wagowych roztworu o stężeniu C p1 C p2 C p1 - C px liczba jednostek wagowych roztworu o stężeniu C p2

24 Reguła mieszania roztworów 60% = 10 : Stęż końcowe=20% : 10% = 40 Stąd wynika, że stosunek ilości roztworu o stężeniu: 60% wobec 10% jest równy 10:40 tj. 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 m 60% : m 10% = 1:4

25 Reguła mieszania roztworów o różnych stężeniach molowych C m1 C mx C m2 liczba jednostek objętościowych roztworu o stężeniu C m1 C m2 C m1 -C mx liczba jednostek objętościowych roztworu o stężeniu C m2

26 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)

27 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

28 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

29 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).

30 Zadanie 3 Oblicz rozpuszczalność CuSO 4 *5H 2 O w wodzie w temperaturze 70 st. C, skoro wiadomo, że stężenie nasyconego roztworu siarczanu (VI) miedzi (II) w tej temperaturze wynosi 28,6%. Założenie m r =100g 250g CuSO 4 *5H 2 O - 160g CuSO 4 m 1 m 1 =44,69g Z definicji rozpuszczalności - 28,6 g m rozp = 100g 44,69g = 55,31g 44,69g CuSO 4 *5H 2 O - 55,31g wody m 2 =80,8g m 2 100g wody Rozpuszczalność wynosi 80,8g (na 100g wody)

31 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 m r =200g m s =52,9g m rozp =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.

32 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 KNO 3 wytrąciło się po obniżeniu temperatury roztworu z 60 do 20 st. C. Dla temperatury 60 st. C m r1 = 105g Z tabeli rozpuszczalności rozpuszczalność KNO 3 w 60 st. C wynosi 110g czyli m s =110g m rozp = 100 g m r = 110g + 100g =210g m r = m s + m rozp

33 Odpowiedź 110g substancji - 210g roztworu x - 105g roztworu x=55g m s1 = 55g m r1 = 105g m rozp1 = 105g - 55g = 50g C p = m s /m r * 100% C p1 =55g/105g *100% = 52,38% Dla temperatury 20 st. C Z tabeli rozpuszczalności rozpuszczalność KNO 3 w 20 st. C wynosi 31,6g 31,6 substancji - 100g wody y - 50g wody y = 15,8g m s2 = 15,8 g m r2 = 15,8g + 50g = 65,8g m = m s1 m s2 = 55g 15,8g = 39,2g C p = 15,8g / 65,8g * 100% = 24,02%

34 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? m r1 =20g C p2 = 10% C p1 = 20% m r = m s + 16g C p =m s /m r * 100% m s = C p *m r /100% 10% = m s / m s + 16g * 100% m s1 = 20%*20g / 100% = 4g m s = 1,78g m rozp = m r m s m r = 1,78g + 16g = 17,78g m rozp = 20g 4g = 16g (stała dla obu roztworów) m s = 4g 1,78g = 2,22g Odp. Należy zmieszać 2,22g stałego NaCl i 17,78g roztworu 10%.