Michał Szczepaniak I TM Bb
Kamil Kuklewski
Roztwory
Część teoretyczna:
Definicja roztworu
Roztwór jest to jednorodna mieszanina substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika. Rozpuszczalnikiem w roztworze jest ta substancja, która występuje w przewadze ilościowej. Roztwory mogą występować w trzech stanach skupienia, a więc mogą być roztwory gazowe (powietrze), ciekłe i stałe (stopy metali, szkło). Do najbardziej rozpowszechnionych i mających największe znaczenie praktyczne należą roztwory ciekłe. Można je otrzymać przez rozpuszczanie w cieczy - najczęściej jest nią woda - gazów, innych cieczy lub substancji stałych. Z uwagi na wielkość cząstek substancji rozpuszczonych w roztworach ciekłych, dzieli się te roztwory na:
- roztwory rzeczywiste (wielkość cząstek od 0,1 nm do l nm),
- koloidy (od l nm do 500 nm),
- zawiesiny (większe od 500 nm).
Procesy rozpuszczania
Rozpuszczanie jakiejkolwiek substancji jest możliwe tylko wówczas, gdy oddziaływanie między substancją rozpuszczaną a rozpuszczalnikiem jest dostatecznie silne i prowadzi do zniszczenia sieci krystalicznej. Procesom rozpuszczania towarzyszą efekty cieplne, które są najczęściej efektem hydratacji powstających w roztworze jonów. Ich wielkość zależy od rodzaju ilości rozpuszczonej substancji oraz od rodzaju i ilości rozpuszczalnika. Gdy rozpuszczana substancja ma budowę krystaliczną, to część ciepła hydratacji zużywana jest na zniszczenie sieci krystalicznej. W zależności od tego, który efekt jest większy - czy energia hydratacji, czy zniszczenia sieci krystalicznej ciepło rozpuszczania będzie albo dodatnie, albo ujemne. Ujemne ciepło rozpuszczania występuje wtedy, gdy energia hydratacji jest mniejsza od energii wiązań w sieci krystalicznej. Rozpuszczalność takich substancji rośnie wraz z temperaturą. Jeśli przeważa ciepło hydratacji to rozpuszczalność takiej substancji maleje wraz z temperaturą.
Mol i masa molowa
Mol jest jednostką liczności substancji (materii), która zawiera tyle samo atomów, jonów, cząsteczek (czy też innych cząsteczek), ile atomów węgla zawartych jest w 0,012 kg węgla (ściślej izotopu węgla 12C).
Sposoby wyrażania stężeń roztworów
Stężeniem roztworu nazywamy zawartość substancji rozpuszczonej w określonej ilości roztworu lub rozpuszczalnika. Wyraża się je najczęściej jako stężenie procentowe, stężenie procentowe roztworu C% wyrażone w procentach masowych oznacza liczbę gramów substancji rozpuszczonej w 100 g roztworu.
gdzie:
ma - masa substancji rozpuszczonej w [g],
mr - masa roztworu, która jest sumą masy substancji rozpuszczonej i masy rozpuszczalnika, np. wody w [g].
Stężenie procentowe roztworu można wyrazić w procentach objętościowych i oznacza to liczbę centymetrów sześciennych substancji rozpuszczonej w 100 cm3 roztworu.
gdzie:
Va - objętość substancj i rozpuszczonej w [cm3],
Vr - objętość roztworu, na którą składa się suma objętości substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika w [cm3].
Stężenie molowe roztworu M oznacza liczbę moli substancji rozpuszczonej w l dm3 roztworu i wyraża się w [mol/dm3].
gdzie:
n - liczba moli substancji rozpuszczonej w [mol],
Vr - objętość roztworu wyrażona w [dm3].
Stężenie roztworu wyrażane w ułamku molowym jest to stosunek liczby moli tego składnika do sumy liczby moli wszystkich składników roztworu.
gdzie:
n1 - liczba moli składnika pierwszego w [mol],
- liczba moli wszystkich składników.
Część doświadczalna
Przyrządy i odczynniki:
statyw z probówkami,
mikrołopatka,
moździerz,
łaźnia wodna,
szkiełka zegarkowe,
pędzelek,
cylindry miarowe o poj. 25 cm3 i 200 cm3,
kolba miarowa o poj. 100 cm3;
Roztwory:
nasycony roztwór wodorotlenku wapnia Ca(OH)2;
Substancje stałe:
chlorek potasu KCl,
chlorek magnezu MgCI2,
octan sodu CH3COONa,
chlorek sodu NaCI,
azotan(V) amonu NH4N03,
azotan(V) potasu KNO3.
Doświadczenie I:
W 5 cm3 wody o temperaturze pokojowej rozpuścić około 1,5 g chlorku potasu. Dla przyspieszenia procesu rozpuszczania sól uprzednio rozetrzeć w moździerzu, następnie po dodaniu wody wstrząsnąć probówką. Po całkowitym rozpuszczaniu dodawać po 1 mikrołopatce (około 0,2 g) tej samej soli, każdorazowo sól rozpuszczać, aż do stanu nasycenia roztworu.
Wyniki i wnioski:
Po pewnym czasie sól przestala się rozpuszczać i zaczęła osadzać się na dnie probówki z powodu nasycenia roztworu.
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.
Roztwór nienasycony - roztwór, w którym w danej temperaturze można rozpuścić jeszcze pewną ilość danej substancji.
Doświadczenie II:
W probówce z 5 cm3 wody rozpuścić około 5 g octanu sodu. Wstrząsając probówką, ogrzewać w łaźni wodnej do całkowitego rozpuszczenia się soli. Następnie ostrożnie (nie wstrząsając) ochłodzić w strumieniu bieżącej wody. Po ostygnięciu wrzucić do roztworu kryształek tej samej soli. Obserwować zachodzące zjawisko.
Wyniki i wnioski:
Po Wstawieniu probówki do łaźni wodnej nastąpiło całkowite rozpuszczenie soli. Po schłodzeniu probówki wrzucony kryształek tej samej soli zaszczepił roztwór. Nadmiar rozpuszczonej soli skrystalizował się. Nastąpiło przesycenie roztworu, czyli powstał roztwór o stężeniu większym od stężenia roztworu nasyconego w danej temperaturze.
Doświadczenie III:
Probówkę z nasyconym roztworem chlorku sodu podgrzewać na łaźni wodnej do 313 K÷323 K i dodawać małymi porcjami sól (po parę kryształków), aż do uzyskania roztworu o niewielkiej ilości fazy stałej w danej temperaturze. Następnie podgrzewać roztwór do około 363 K i znowu dodawać porcjami sól, aż do stanu nasycenia.
Przeprowadzić analogicznie doświadczenie z azotanem(V) potasu.
Roztwór wodorotlenku wapnia nasycony w temperaturze pokojowej, podgrzać do wrzenia. Zaobserwować zachodzące zjawisko.
Wyniki i wnioski:
Rozpuszczalność NaCl minimalnie zmienia się wraz ze wzrostem temperatury,
Rozpuszczalność KNO3 wzrasta wraz ze wzrostem temperatury,
Rozpuszczalność Ca(OH)2 maleje wraz ze wzrostem temperatury.
[Wykres]
Doświadczenie IV:
W dwóch probówkach przygotować po 5 cm3 nasyconego roztworu (około 1/3 objętości) azotanu(V) amonu i chlorku magnezu. Do probówki z azotanem (V) amonu wrzucić 3÷4 mikrołopatki tej soli. Porównać efekty cieplne w obu probówkach podczas rozpuszczania soli. Następnie obie probówki lekko podgrzać. Zaobserwować efekt rozpuszczania soli w obu przypadkach.
Wyniki i wnioski:
Po dodaniu MgCl2 do probówki zachodzi reakcja endoenergetyczna, ponieważ probówka pozostaje zimna. Natomiast w przypadku chlorku magnezu zachodzi reakcja egzoenergetyczna, gdyż probówka jest ciepła. Po podgrzaniu probówek azotan(V) amonu rozpuścił się całkowicie, natomiast chlorek magnezu wydzielił osad. Zjawisko to tłumaczy „reguła przekory”, która mówi że układ, na który działa jakiś bodziec, odpowiada w taki sposób aby przeciwdziałać bodźcowi. Reguła przekory dotyczy układów w stanie równowagi, na które działa czynnik zewnętrzny.
[Wykres]