ROZTWORY - STĘŻENIA

Związek chemiczny różni się od mieszaniny tym, że w związku chemicznym obowiązuje prawo Proust'a (stałych stosunków wagowych). Ponadto mieszaniny można rozdzielić stosunkowo prostymi metodami fizycznymi:

1. filtracja (sączenie) - oddzielanie osadu od roztworu za pomocą bibuły filtracyjnej, sączka,

2. sedymendacja - opadanie osadu na dno wskutek grawitacji,

3. wirowanie - odzielanie osadu od roztworu wykorzystując bezwładną siłę odśrodkową,

4. dekantacja - zlewanie roztworu, czyli tzw. supernatantu znad osadu,

5. ekstrakcja - rozdział składników mieszaniny wykorzystując różnicę w rozpuszczalności,

6. krystalizacja - wytrącanie kryształów wskutek obniżania temperatury roztworu lub odparowywanie rozpuszczalnika,

7. destylacja - rozdział mieszaniny ciekłej na tzw. frakcje wykorzystując różnice w temperaturach wrzenia,

8. flotacja (wzbogacanie minerału) - oddzielenie minerału od zanieczyszczeń wykorzystując różnice w zwilżalności,

9. chromatografia - rozdział składników mieszaniny wykorzystując różnice w migracji na nośniku (bibuła, octan celulozy),

10. elektroforeza - rozdział składników mieszaniny w polu elektrostatycznym,

11. elektrofokusowanie (elektroogniskowanie) - wyznacznie punku izoelektrycz-nego białek w polu elektrostatycznym,

12. inne metody z wykorzystaniem różnic we właściwościach rozdzielanych substancji np. właściwości magnetycznych.

W mieszaninach rozróżnia się fazę zdyspergowaną - substancję „rozpuszczaną” - oraz fazę dyspersyjną - substancję „rozpuszczającą”. Stan skupienia fazy zdyspergowanej i dyspersyjnej może być różny. Faza dyspersyjna w postaci cieczy nazywa się rozpuszczalnikiem.

Z uwagi na rozmiary cząstek fazy zdypergowanej mieszaniny dzielimy na:

1. roztwory właściwe - średnica cząstek jest mniejsza od 1nm,

2. koloidy - średnica cząstek wynosi od 1nm do 100nm,

3. zawiesiny - średnica cząstek jest większa od 100nm.

Światło w roztworach tych ulega nastepującym zjawiskom:

Ponadto mieszaniny dzielimy na:

1. mieszaniny niejednorodne - dowolnie mała objętość nie posiada takich samych właściwości co cała mieszanina. Zauważalna jest granica podziału pomiędzy poszczególnymi fazami mieszaniny (składnikami mieszaniny).

2. mieszaniny jednorodne - dowolnie mała objętość mieszaniny wykazuje te same właściwości co cała mieszanina (gołym okiem nie można odróznić składników mieszaniny).

1. stałe,

2. ciekłe zwane roztworami właściwymi,

3. gazowe.

Ilość substancji rozpuszczonej w mieszaninie jednorodnej w stanie ciekłym, wyrażana jest za pomocą następujących stężeń:

1. Procentowe c_p (c_%):

a. wagowo-wagowe: c_pw/w - ilość gramów substancji rozpuszczonej w 100 gramach roztworu. Stężenie to jest dopuszczalne w chemii.

gdzie: m_s - masa rozpuszczonej substancji w gramach,

m_r - masa roztworu w gramach,

m_rozp. - masa rozpuszczalnika w garamach.

W celu otrzymania 20% w/w roztworu NaCl należy rozpuścić 20g chlorku sodu w 80g wody (masa roztworu równa się 100g).

b. wagowo-objętościowe: c_pw/v - ilość gramów substancji rozpuszczonej w 100cm³ roztworu. Z uwagi na zmianę objętości roztworu w zależności od temperatury stężenie to nie powinno być stosowane w chemii.

gdzie: m_s - masa rozpuszczonej substancji w gramach,

V_r - objętość roztworu w cm³.

W celu otrzymania 20% w/v roztworu NaCl należy 20g chlorku sodu rozpuścić w niewielkiej objętości wody i dopełnić wodą w kolbie miarowej do 100cm³ roztworu. Oczywiście 20% w/w roztwór NaCl jest roztworem o innym stężeniu niż 20% w/v roztwór NaCl.

c. objętościowo-objętościowe: c_pv/v - ilość cm³ substancji rozpuszczonej w 100cm³ roztworu. Z tego samego powodu co stężenie procentowe wagowo-objętościowe nie powinno być stosowane w chemii.

gdzie: V_s - objętość substancji w cm³,

V_r - objętość roztworu w cm³.

2. Molowe (molarne): c_m - ilość moli n_m substancji rozpuszczonej w 1dm³ roztworu. Stężenie to stosowane jest w układzie SI.

gdzie: n_m = liczba moli substancji,

V_r - objętość roztworu w dm³,

m_s - masa rozpuszczonej substancji w gramach,

M_m - masa molowa rozpuszczonej substancji w g/mol.

Aby otrzymać roztwór chlorku sodu o stężeniu: c_m = 2mol/dm³ = 2M, należy
2 mole NaCl czyli 117 gramów rozpuścić w pewnej objętości wody i dopełnić wodą do 1000cm³.W przypadku tego stężenia wprowadza się pojęcie miana roztworu. Jest to wartość stężenia molowego z dokładnością do czwartego miejsca po przecinku.

3. Molalne: c_molalne = m - ilość moli n_m substancji rozpuszczonej w 1kg rozpuszczalnika. Stężenie to także stosowane jest w układzie SI.

gdzie: n_m - liczba moli substancji,

m_rozp. - masa rozpuszczalnika w kilogramach,

m_s - masa rozpuszczonej substancji w gramach,

M_m - masa molowa rozpuszczonej substancji w g/mol.

4. Ułamek molowy: x_A - ilość moli substancji rozpuszczonej n_A przypająca na sumę moli wszystkich składników roztworu. Stężenie to dopuszczalne jest w chemii.

Przed omówieniem zadań związanych ze stężeniami, trzeba byłoby zapamiętać masy molowe najczęściej stosowanych związków:

Zadania związane ze stężeniami można podzielić na następujące grupy:

I. Zadania związane z reakcjami chemicznymi.

Przykład 2: Oblicz stężenie c_pw/w roztworu wodorotlenku potasu otrzymanego w wyniku rozpuszczenia 0,78g potasu w 19,22cm³ wody?

gdzie: m_K - masa potasu.

Przykład 3: Jakie jest stężenie c_pw/w roztworu kwasu octowego otrzymanego w wyniku utlenienia 1kg 15% etanolu?

Ze wzoru na stężenie procentowe

Z równania reakcji utleniania etanolu obliczamy ilość otrzymanego kwasu octowego. Ponieważ tlen w tej reakcji pobierany jest z zewnątrz, masa roztworu zwiększa się o 104,3 gramów.

2. Oblicznie ilości gramów, moli, substancji w danej objętości roztworu o znanym stężeniu.

Przykład 6: Ile gramów wodorotlenku sodu znajduje się w 50cm³ 2M roztworu NaOH?

Ze wzoru na stężenie molowe wyznaczamy masę substancji:

Oczywiście zadania te mogą być inaczej sformułowane np. ilu molowy roztwór otrzymano w wyniku rozpuszczenia 4g wodorotlenku sodu w 50cm³ roztworu?

3. Rozcieńczanie, zagęszczanie i mieszanie roztworów.

Przykład 7: Ilu procentowy roztwór otrzymamy w wyniku odparowania 100g wody z 300g 20% roztworu?

Ze wzoru na stężenie procentowe wyznaczamy masę substancji:

czyli stężenie procentowe roztworu o masie równej 300g - 100g = 200g wynosi:

Przykład 8: Ilu molowy roztwór otrzymano w wyniku zmieszania 0,5dm³ 2M roztworu z 1,5dm³ 6M roztworu?

Ze wzoru na stężenie molowe obliczamy ilość moli substancji w powyższych roztworach:

Po zmieszaniu roztworów liczba moli i ilości objętości zsumują się, czyli stężenie molowe wynosi:

Lepiej w zadaniach na rozcieńczanie i zagęszczanie stosować uproszczone wzory:

c₁^.m₁ = c_x^.m_x c₁^.V₁ = c_x^.V_x

Natomiast w zadaniach na mieszanie roztworów należy stosować uproszczone wzory:

c₁^.m₁ + c₂^.m₂ + .... = c_x^.m_x (m_x = m₁ + m₂ + ...)

c₁^.V₁ + c₂^.V₂ + .... = c_x^.V_x (V_x = V₁ + V₂ + ...)

gdzie: c₁, m₁, V₁ - odpowiednio stężenie, masa i objętość pierwszego roztworu,

c₂, m₂, V₂ - odpowiednio stężenie, masa i objętość drugiego roztworu,

c_x, m_x, V_x - odpowiednio stężenie, masa i objętość otrzymanego roztworu.

Spójrzmy jak zastosowanie uproszczonych wzorów w powyższych przykładach ułatwia rozwiązanie.

ad 7.

ad 8.

Można w tego typu zadaniach stosować regułę przekątnych:

gdzie: c₁ > c₂.

Jeżeli dodajemy do roztworu substancję to stężenie c₁ = 100%. Jeżeli do roztworu dolewana jest woda to stężenie c₂ = 0%.

Regulę przekątnych należy stosować w zadaniach typu:

Przykład 11: W jakim stosunku objętościowym należy zmieszać 2 molowy roztwór z 6 molowym, aby otrzymać roztwór 5M o objętości 2dm³?

A więc stosunek objętościowy roztworów równa się: V_2M : V_6M = 1 : 3.

Ilość dm³ mieszanych roztworów obliczamy z proporcji:

4 jednostki objętościowe ................................ 2dm³

1 jednostka objętościowa 2M roztworu .......... x = 0,5dm³

4. Przeliczanie stężenia procentowego wagowego na stężenie molowe.

Przykład 12: Jakie jest stężenie molowe 20%w/w roztworu H₂SO₄ o gęstości d = 1,2g/cm³?

Wiadomo, że:

Zakładamy, że masa roztworu równa się 100g. Zatem masa substancji wynosi 20g. Ze wzoru na gęstość obliczamy objętość 100g 20% roztworu kwasu siarkowego:

Podstawiając dane do wzoru na stężenie molowe obliczamy stężenie:

Rozwiązanie powyższego zadania jest prostsze po zastosowaniu wzoru na obliczanie stężenia molowego lub stężenia normalnego ze stężenia procentowego wagowo-wagowego o gęstości d wyrażanej w g/dm³:

W związku zadanie 12 obliczamy bezpośrednio:

Z powyższych wzorów korzystamy także przy obliczaniu ilość gramów substancji w 1dm³ roztworu o znanym stężeniu procentowym.

Przykład 13: Ile gramów Ca(NO₃) ₂ znajduje się w 1dm³ 30%w/w roztworu o gęstości d =1,3g/cm³?

Gęstość roztworu należy wyrazić w g/dm³, czyli d = 1,3g/cm³ = 1300g/dm³. Ze wzoru na stężenie molowe w zależności od stężenia procentowego wagowo-wagowego wyznaczamy iloczyn c_m^.M_m:

To samo postępujemy z równaniem-definicją stężenia molowego, wyznaczając w ten sposób ilość gramów substancji w 1dm³ roztworu o stężeniu molowym c_m:

Porównując oba równania ilość gramów substancji w 1dm³ roztworu obliczamy ze wzoru:

W naszym zadaniu ilość gramów Ca(NO₃) ₂ w 1dm³ równa się:

Przykład 14: Ile gramów następujących substancji: a. Al₂(SO₄) ₃

b. FeCl ₃

c. K₂Cr₂O₇ znajduje się
w 2000cm³ 20% roztworów, jeżeli gęstości tych roztworów są takie same i wynoszą d = 1,18g/cm³ = 1180g/dm³?

Ze wzoru na ilość gramów substancji w 1dm³ roztworu obliczamy:

c_p^.d/100% = 20%^.1180/100% [g/dm³] = 236gramów w 1dm³ roztworów

W 2 dm³ roztworów znajduje się po: a. 472g Al₂(SO₄) ₃ b. 472g FeCl ₃ c. 472g K₂Cr₂O₇.

c_p^. d/100% = 30%^.1300g/cm³/100% = 390 gramów

---