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:
a. filtracja (sączenie) – oddzielanie osadu od roztworu za pomocą bibuły filtracyjnej, sączka,
b. sedymendacja – opadanie osadu na dno wskutek grawitacji,
c. wirowanie – odzielanie osadu od roztworu wykorzystując bezwładną siłę odśrodkową,
d. dekantacja – zlewanie roztworu, czyli tzw. supernatantu znad osadu,
e. ekstrakcja – rozdział składników mieszaniny wykorzystując różnicę w rozpuszczalności,
f. krystalizacja – wytrącanie kryształów wskutek obniżania temperatury roztworu lub odparowywanie rozpuszczalnika,
g. destylacja – rozdział mieszaniny ciekłej na tzw. frakcje wykorzystując różnice w temperaturach wrzenia,
h. flotacja (wzbogacanie minerału) - oddzielenie minerału od zanieczyszczeń wykorzystując różnice w zwilżalności,
i. chromatografia – rozdział składników mieszaniny wykorzystując różnice w migracji na nośniku (bibuła, octan celulozy),
j. elektroforeza – rozdział składników mieszaniny w polu elektrostatycznym,
k. elektrofokusowanie (elektroogniskowanie) – wyznacznie punku izoelektrycz-nego białek w polu elektrostatycznym,
l. 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).
a. stałe,
b. ciekłe zwane roztworami właściwymi,
c. gazowe.
Ilość substancji rozpuszczonej w mieszaninie jednorodnej w stanie ciekłym, wyrażana jest za pomocą następujących stężeń:
1. Procentowe cp (c%):
a. wagowo–wagowe: cpw/w - ilość gramów substancji rozpuszczonej w 100 gramach roztworu. Stężenie to jest dopuszczalne w chemii.
gdzie: ms - masa rozpuszczonej substancji w gramach,
mr – masa roztworu w gramach,
mrozp. – 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: cpw/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.
Vr - 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: cpv/v - ilość cm3 substancji rozpuszczonej w 100cm3 roztworu. Z tego samego powodu co stężenie procentowe wagowo–objętościowe nie powinno być stosowane w chemii.
gdzie: Vs - objętość substancji w cm3,
2. Molowe (molarne): cm – ilość moli nm substancji rozpuszczonej w 1dm3 roztworu. Stężenie to stosowane jest w układzie SI.
gdzie: nm = liczba moli substancji,
Vr - objętość roztworu w dm3,
ms - masa rozpuszczonej substancji w gramach,
Mm – masa molowa rozpuszczonej substancji w g/mol.
Aby otrzymać roztwór chlorku sodu o stężeniu: cm = 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: cmolalne = m – ilość moli nm substancji rozpuszczonej w 1kg rozpuszczalnika. Stężenie to także stosowane jest w układzie SI.
gdzie: nm - liczba moli substancji,
mrozp. – masa rozpuszczalnika w kilogramach,
4. Ułamek molowy: xA – ilość moli substancji rozpuszczonej nA 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 cpw/w roztworu wodorotlenku potasu otrzymanego w wyniku rozpuszczenia 0,78g potasu w 19,22cm3 wody?
gdzie: mK – masa potasu.
Przykład 3: Jakie jest stężenie cpw/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.
II. 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?
III. 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 = cx.mx c1.V1 = cx.Vx
Natomiast w zadaniach na mieszanie roztworów należy stosować uproszczone wzory:
c1.m1 + c2.m2 + .... = cx.mx (mx = m1 + m2 + ...)
c1.V1 + c2.V2 + .... = cx.Vx (Vx = V1 + V2 + ...)
gdzie: c1, m1, V1 – odpowiednio stężenie, masa i objętość pierwszego roztworu,
c2, m2, V2 – odpowiednio stężenie, masa i objętość drugiego roztworu,
cx, mx, Vx – 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:
...
sweet.seli.bebe.seli