roztwory i stĘŻenia · 2019. 9. 11. · zadanie 3 oblicz rozpuszczalność cuso 4 *5h 2o w wodzie...
TRANSCRIPT
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%.