Roztwór to nierozdzielająca się w długich okresach czasu mieszanina dwóch lub więcej związków chemicznych. W roztworach zwykle jeden ze związków chemicznych jest nazywany rozpuszczalnikiem, a drugi substancją rozpuszczaną.
Podział roztworów:
Ze względu na rozmiar drobin substancji rozpuszczonej:
• Roztwory homogeniczne (rzeczywiste)
• Roztwory heterogeniczne – koloidy i zawiesiny
w roztworze właściwym średnica cząstek jest mniejsza od 10 –9 m (1nm) w roztworze koloidalnym średnica cząstek jest większa od 10 –9 m, lecz mniejsza od 10 – 7 m w zawiesinie średnica cząstek jest większa od 10 –7 m.
Ze względu na stopień nasycenia roztworu:
• Roztwór nienasycony – w danych warunkach ciśnienia i temperatury w danej ilości rozpuszczalnika można jeszcze rozpuścić pewną ilość substancji.
• Roztwór nasycony – w danych warunkach ciśnienia i temperatury w danej ilości rozpuszczalnika nie można już rozpuścić substancji.
• Roztwór przesycony - w danych warunkach ciśnienia i temperatury w danej ilości rozpuszczalnika rozpuszczono większą ilość substancji niż wynika to z danych rozpuszczalności.
Efekty towarzyszące rozpuszczaniu:
• objętościowe: kontrakcja objętości – objętość roztworu nie jest równa sumie objętości składników;
• energetyczne: proces rozpuszczania jest egzo- lub endoenergetyczny
Na przykład, gdy rozpuszcza się kryształ chlorku potasu w wodzie, w pierwszym etapie dochodzi do zrywania wiązań jonowych, między jonami chlorkowymi (Cl¯ ) i potasowymi (K+), który wymaga wydatkowania energii cieplnej. W drugim etapie "wyrwane" z kryształu jony są solwatowane, tzn. tworzy się otoczka cząsteczek wody dookoła obu jonów na skutek oddziaływań jon-trwały dipol, co jest procesem w wyniku którego energia się wyzwala. W przypadku chlorku potasu przeważa zdecydowanie efekt cieplny pierwszego procesu, a zatem rozpuszczanie tej soli w wodzie powoduje oziębienie się całej mieszaniny, podczas gdy np. rozpuszczanie kwasu siarkowego jest związane z silnym efektem ogrzewania.
Reakcje jonowe
Reakcje jonowe - to reakcje biegnące pomiędzy jonami, jonami i atomami lub między jonami i cząsteczkami w roztworach wodnych (szybkość reakcji jest duża). Do najważniejszych reakcji jonowych zalicza się strącanie osadu, reakcje zobojętnienia oraz hydrolizę soli.
Ogólne zasady reakcji jonowych:
• reakcję sól + sól piszemy tylko wtedy, gdy powstaje substancja niezdysocjowana np.: wytrąca się osad lub wydziela gaz
• mocniejszy kwas wypiera z soli kwas słabszy
• silniejsza zasada wypiera z soli słabszą
• mniej lotna zasada wypiera bardziej lotną
• mniej lotny kwas wypiera bardziej lotny
Strącanie osadu
Najczęściej spotykanym typem reakcji jonowej, jest reakcja strącania osadów substancji trudno rozpuszczalnej.
Po zmieszaniu dwóch roztworów zawierających jony pochodzące z dysocjacji dwóch różnych substancji rozpuszczalnych w wodzie może dojść do powstania nowej substancji, praktycznie nie rozpuszczalnej w wodzie, czyli do strącenia osadu. Na przykład po zmieszaniu roztworu azotanu (V) srebra (AgNO3) z kwasem solnym (HCl) wytrąca się nierozpuszczalny osad chlorku srebra (AgCl).
AgNO3 + KCl AgCl↓ + KNO3 zapis cząsteczkowy
↓ - strzałka w dół oznacza sól wytrącającą się w postaci praktycznie nie rozpuszczalnego osadu Równanie tej reakcji można zapisać w formie jonowej:
Ag+ + NO3¯ + K+ + Cl¯ AgCl↓ + K+ + NO3¯ zapis jonowy
Jony występujące w takiej samej postaci po obu stronach równania nie biorą udziału w reakcji, i można je pominąć:
Ag+ + Cl¯ AgCl↓ zapis jonowy uproszczony
- 1 -
przykład następny
Ba(OH)2 + K2SO4 BaSO4↓ + 2KOH zapis cząsteczkowy
Ba2+ + 2OH¯ + 2K+ + SO 2–
4
BaSO4↓ + 2K+ + 2OH¯ zapis jonowy
Ba2+ + SO 2–
4
BaSO4↓ zapis jonowy uproszczony
i jeszcze jeden:
Na2CO3 + Pb(NO3)2 2NaNO3 + PbCO3↓ zapis cząsteczkowy
2 Na+ + CO 2–
3
+ Pb2+ + 2NO3¯ 2 Na+ + 2 NO3¯ + PbCO3↓ zapis jonowy
CO 2–
3
+ Pb2+ PbCO3↓ zapis jonowy uproszczony
Powstaje pytanie: skąd wiadomo które substancje rozpuszczają się w wodzie, a które nie. Kiedyś sprawdzono to doświadczalnie, a wyniki zebrano w tabeli rozpuszczalności.
Reakcje zobojętnienia
Reakcje zobojętnienia to reakcje kwasów z zasadami, w wyniku których powstaje sól i woda, np.: HCl + NaOH NaCl + H2O
Kwasy jak i zasady ulegają w roztworach wodnych dysocjacji, a więc równanie to można zapisać w formie jonowej:
H+ + Cl¯ + Na+ + OH¯ Na+ + Cl¯ + H2O
Reakcja zachodzi między jonami H+, a jonami OH¯ . W wyniku tej reakcji powstają niezdysocjowane cząsteczki wody H2O, a otrzymany roztwór ma odczyn obojętny. Mechanizmem napędowym reakcji zobojętniania jest wiec powstawanie niezdysocjowanych cząsteczek wody.
H+ + OH¯ H2O
Każda reakcja pomiędzy kwasem i zasadą sprowadza się do reakcji pomiędzy jonami H+ , a jonami OH¯ , np.: H3PO4 + 3NaOH Na3PO4 + 3H2O
3H+ + PO 3–
3–
4
+ 3Na+ + 3OH¯ 3Na+ + PO4 + 3H2O
3H+ + 3OH¯ 3H2O
Hydroliza soli
Podczas rozpuszczania niektórych soli w wodzie zachodzi reakcja jonów soli z wodą zwana reakcją hydrolizy.
Produktami reakcji hydrolizy są kwas i zasada. Zazwyczaj, reakcja hydrolizy soli pochodzącej od kwasu jednowodorowego (HR) i jednowodorotlenowej zasady (MeOH) przebiega wg ogólnego schematu: Me-R + H2O H-R + Me-OH
Hydrolizie ulegają:
• sole słabych jednoprotonowych kwasów i mocnych jednowodorotlenowych zasad (CH3COOK, NaCN), jest to hydroliza zasadowa (anionowa).
Przebieg procesu hydrolizy dla CH3COOK przedstawia równanie.
CH3COOK + H2O CH3COOH + KOH
CH3COO¯ + K+ + H2O CH3COOH + K+ + OH¯
Pomijamy jony występujące w takiej samej postaci po lewej i prawej stronie równania: CH3COO¯ + H2O CH3COOH + OH¯
właściwe równanie reakcji hydrolizy
Po reakcji odczyn roztworu jest zasadowy. Kolejny przykład:
NaNO2 + H2O NaOH + HNO2
Na+ + NO2¯ + H2O Na+ + OH¯ + HNO2
NO2¯ + H2O HNO2 + OH¯
właściwe równanie reakcji hydrolizy
- 2 -
• sole mocnych jednoprotonowych kwasów i słabych jednowodorotlenowych zasad (NH4NO3), jest to hydroliza kwasowa (kationowa).
NH4NO3 + H2O NH3 + HNO3 + H2O
NH +
4 + NO3¯ + H2O NH3 + H3O+ + NO3¯
Pomijamy jony występujące w takiej samej postaci po lewej i prawej stronie równania: NH +
4 + H2O NH3 + H3O+
właściwe równanie reakcji hydrolizy
Po reakcji odczyn roztworu jest zasadowy. Kolejny przykład:
AgNO3 + H2O AgOH + HNO3
Ag+ + NO3¯ + H2O AgOH + H+ + NO3¯
Ag+ + H2O AgOH + H+
właściwe równanie reakcji hydrolizy
sole słabych kwasów i słabych zasad. Odczyn może być obojętny, kwasowy lub zasadowy, zależnie od tego co jest mocniejsze - kwas czy zasada (sprawdzamy to porównując wartości stałych dysocjacji odpowiednich kwasów i zasad) np.: NH4CN
KHCN = 7,5 · 10–10
KNH3 = 1,8 · 10–5
amoniak ma większą stałą dysocjacji, więc:
NH4CN NH3 + HCN
NH +
+
4 + CN¯ + H2O NH4 + OH¯ + HCN
CN¯ + H2O HCN + OH¯
Sole mocnych kwasów i mocnych zasad nie ulegają hydrolizie, ich odczyn jest obojętny.
Wypieranie z soli
• mocniejszy kwas wypiera z soli kwas słabszy, np.:
H
↑
2SO4 + K2CO3 K2SO4 + CO2 + H2O
• silniejsza zasada wypiera z soli słabszą np.:
Pb(NO
↓
3)2 + NaOH 2NaNO3 + Pb(OH)2
• mniej lotny kwas wypiera bardziej lotny np.:
H2SO4 + KCl K2SO4 + HCl↑
• mniej lotna zasada wypiera bardziej lotną np.:
(NH
↑
4)2CO3 + NaOH 2NH3 + Na2CO3
- 3 -
D o d a t k i
NH +
4 Na+ K+ Mg2+ Ca2+ Ba2+ Cr3+ Mn2+ Fe2+ Fe3+ Co2+ Ni2+ Cu2+ Ag+ Au3+ Zn2+ Cd2+ Hg2+ Al3+ Sn2+ Pb2+ Bi3+
OH–
↓ (↓)
↓
↓
↓
↓ ↓
↓
↓
↓ & ↓
↓
↓
↓
↓ ↓ ↓ ↓
F–
↓
↓
↓
↓ (↓)
↓ (↓)
↓ ↓
(↓)
↓ ↓
↓ (↓)
↓
(↓)
↓
↓
Cl–
↓
(↓)
↓
Br–
↓
(↓)
↓
(↓)
↓
I–
&
& ↓ (↓)
↓
↓
(↓)
↓ ↓ ↓
S2–
&&
& (↓)
↓
↓
↓
↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓
↓
↓
↓ & ↓ ↓ ↓
SO 2–
(↓
( )
↓ (↓)
↓
3
↓
↓
↓
↓ & ↓ ↓ & (↓)
↓ ↓ (↓)
& & (↓)
↓ ↓ (↓)
↓
SO 2–
(↓
( )
↓
4
Τ
↓
(↓)
↓
NO –
(↓
( )
↓
2
↓
(↓) &
(↓)
↓
↓
NO –
3
PO 2–
4
↓
↓
↓ ↓
↓
↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓
↓
↓
↓
↓ ↓ ↓ ↓
CO 2–
3
↓
↓
↓ ↓
↓
↓ & ↓ ↓ & ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ & ↓ ↓ ↓
SiO 2–
3
↓
↓
↓ & ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ & & & ↓ ↓ & ↓ & ↓ & MnO 2–
4
& &
&
&
&
CrO 2–
4
(↓)
↓ ↓ ↓
↓
&
↓ ↓
↓ & (↓)
↓ ↓ (↓)
↓ ↓ ↓ ↓ ↓
octan
↓
Objaśnienia symboli
Podane symbole wskazują co stanie się po zmieszaniu wodnych roztworów zawierających dane jony: puste pole oznacza iż związek powstający w wyniku reakcji jest dobrze rozpuszczalny w wodzie (rozpuszczalność powyżej 1 g w 100 g wody)
(↓)
↓ - substancja o niewielkiej rozpuszczalności, strąca się przy odpowiednim stężeniu roztworu (rozpuszczalność 0,1 - 1 g w 100 g wody)
↓ - substancja praktycznie nierozpuszczalna, strąca się z rozcieńczonych roztworów (rozpuszczalność poniżej 0,1 g w 100 g wody)
& - zachodzą skomplikowane reakcje, lub substancja nie została otrzymana Kolor tła odzwierciedla (w przybliżeniu) charakterystyczną barwę substancji, biały kolor tła oznacza roztwór bezbarwny lub biały osad.
- 4 -