Roztwory, koloidy i rozpuszczalność - To jest chemia 1 (ZR)

1.Mieszanina

Porcja materii zawierająca co najmniej dwa składniki, występujące w dowolnym stanie skupienia. Składniki mieszaniny zachowują swoje właściwości. Większość substancji w naszym otoczeniu to mieszaniny, np. roztwory.

2.Faza

Porcja materii jednorodna pod względem stanu fizycznego. Np. olej roślinny i woda w jednym naczyniu tworzą dwie fazy - olej ma mniejszą gęstość, więc unosi się na powierzchni wody.

3.Mieszanina jednorodna i niejednorodna

Mieszanina jednorodna (układ homogeniczny) jest jednofazowa - jej składników nie można rozróżnić ani gołym okiem, ani za pomocą prostych przyrządów optycznych, np. woda z solą kuchenną, powietrze, stopy metali. Mieszanina niejednorodna (układ heterogeniczny) jest wielofazowa - jej składniki można tak rozróżnić, np. opiłki żelaza z siarką, skały.

4.Roztwór

Mieszanina jednorodna co najmniej dwóch substancji: substancji rozpuszczonej (rozproszonej) i rozpuszczalnika. Cząstki substancji rozpuszczonej mogą mieć różną wielkość, ale zawsze jest ich mniej niż cząstek rozpuszczalnika.

5.Podział roztworów ze względu na stan skupienia

Stan skupienia roztworu zależy od rozpuszczalnika, czyli składnika dominującego. W roztworach ciekłych rozpuszczalnikiem jest ciecz, najczęściej woda (roztwory wodne, np. woda gazowana). W gazowych - gaz, np. powietrze to roztwór tlenu, $\ce{CO2}$, pary wodnej i gazów szlachetnych w azocie. W stałych dominuje substancja stała, np. stal (węgiel w żelazie), mosiądz, wodór w palladzie.

6.Roztwory właściwe, koloidy i zawiesiny

Podział mieszanin ciekłych ze względu na wielkość cząstek substancji rozproszonej. Roztwory właściwe (rzeczywiste): średnica cząstek mniejsza niż $10^{-9}~\mathrm{m}$, np. sól w wodzie. Koloidy: od $10^{-9}$ do $10^{-7}~\mathrm{m}$, np. mleko. Zawiesiny: większa niż $10^{-7}~\mathrm{m}$, np. mąka lub piasek w wodzie. Koloidy i zawiesiny to układy heterogeniczne.

7.Emulsja

Mieszanina niejednorodna dwóch nierozpuszczających się w sobie cieczy, z których jedna jest rozproszona w drugiej w postaci małych kropelek, np. majonez. Jest przykładem koloidu. Otrzymuje się ją przez wstrząsanie cieczy lub wkraplanie jednej do drugiej przy energicznym mieszaniu.

8.Odparowanie rozpuszczalnika i krystalizacja jako metody rozdzielania

Służą do rozdzielania roztworu substancji stałej w cieczy (składniki różnią się stanem skupienia i lotnością). Odparowanie rozpuszczalnika to usunięcie ciekłego składnika przez ogrzewanie - w naczyniu zostaje substancja stała. Krystalizacja to wydzielanie substancji stałej z roztworu nasyconego w postaci kryształów, które oddziela się od roztworu przez dekantację lub sączenie.

9.Destylacja

Metoda rozdzielania cieczy różniących się temperaturą wrzenia. Bardziej lotny składnik (o niższej temperaturze wrzenia), np. alkohol etylowy, odparowuje, skrapla się w chłodnicy i jest zbierany w odbieralniku.

10.Ekstrakcja

Wyodrębnianie składnika lub składników mieszaniny z wykorzystaniem różnic rozpuszczalności tych substancji w dwóch rozpuszczalnikach, które się nie mieszają. Jeden z nich wymywa pożądany składnik z mieszaniny stałej lub ciekłej, nie rozpuszczając pozostałych składników.

11.Ekstrakcja ciecz-ciecz w rozdzielaczu

Do rozdzielacza wlewa się mieszaninę i dodaje rozpuszczalnik, w którym dobrze rozpuszcza się tylko wyodrębniany składnik. Ciecze miesza się w zamkniętym korkiem rozdzielaczu (co najmniej trzy razy, otwierając kran, by wyrównać ciśnienie) i czeka na rozwarstwienie. Warstwy zlewa się do osobnych naczyń, a składnik wydziela się przez odparowanie rozpuszczalnika lub krystalizację. Wydajniej jest przeprowadzić kilka ekstrakcji małymi, świeżymi porcjami rozpuszczalnika niż jedną ekstrakcję dużą porcją.

12.Ekstrakcja jodu chloroformem (doświadczenie)

Do rozdzielacza wlewa się wodny roztwór jodu w jodku potasu i chloroform $\ce{CHCl3}$ (substancja toksyczna). Przed wstrząśnięciem górna warstwa (roztwór jodu) jest brunatna, a dolna (chloroform) bezbarwna. Po wstrząśnięciu dolna warstwa barwi się na fioletowo, a górna się odbarwia. Wniosek: jod został wyekstrahowany chloroformem.

13.Chromatografia

Rozdzielenie mieszaniny z wykorzystaniem różnic w szybkości przemieszczania się jej składników podczas przepływu przez fazę stacjonarną. Składniki dzielą się między fazę nieruchomą (stacjonarną) i ruchomą. Fazą stacjonarną może być bibuła filtracyjna, cienka warstwa adsorbentu (substancji zatrzymującej cząstki na swojej powierzchni) na płytce albo wypełnienie kolumny.

14.Chromatografia bibułowa i chromatogram

Mieszaninę nanosi się na bibułę filtracyjną (fazę stacjonarną) i wstawia ją do zlewki z eluentem (fazą ruchomą, np. etanolem) tak, by poziom eluentu był poniżej naniesionej mieszaniny. Eluent wędruje w górę, a z nim składniki. Składniki słabiej oddziałujące z fazą stacjonarną przemieszczają się szybciej i zatrzymują wyżej. Chromatogram to graficzny zapis wyniku: plamki na bibule albo wykres, z którego odczytuje się, jakie składniki i w jakich ilościach zawiera mieszanina.

15.Metody rozdzielania mieszanin niejednorodnych

Przesiewanie - sito zatrzymuje większe cząstki. Magnes przyciąga cząstki jednej substancji, np. opiłki żelaza. Sublimacja i resublimacja - jedna z substancji stałych po ogrzaniu przechodzi bezpośrednio w gaz i resublimuje na ochłodzonej powierzchni, np. jod zmieszany z piaskiem. Sączenie - osad zostaje na sączku, a przesącz jest klarowny. Dekantacja - zlanie cieczy znad osadu po sedymentacji (opadaniu cząstek na dno). Rozdzielacz - dolna warstwa to ciecz o większej gęstości.

16.Elektroforeza

Rozdzielanie i oczyszczanie mieszaniny niejednorodnej, np. mieszaniny białek, z wykorzystaniem ruchu naładowanych cząstek w polu elektrycznym. Cząsteczki różnych składników różnią się zdolnością przemieszczania się pod wpływem napięcia elektrycznego.

17.Rozpuszczanie a roztwarzanie

Rozpuszczanie to zjawisko fizyczne: cząsteczki rozpuszczalnika wnikają między cząsteczki substancji rozpuszczanej, ale nie zachodzi reakcja chemiczna, więc po odparowaniu rozpuszczalnika odzyskuje się substancję w pierwotnym stanie. Roztwarzanie to przechodzenie substancji stałej do roztworu w wyniku reakcji chemicznej z rozpuszczalnikiem lub innym składnikiem roztworu, np. $\ce{Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2 ^}$.

18.Koloid

Mieszanina niejednorodna (układ heterogeniczny) składająca się z cząstek o średnicy od $10^{-9}$ do $10^{-7}~\mathrm{m}$, rozproszonych w gazie, cieczy lub substancji stałej. Cząstki koloidu są większe niż w roztworze właściwym, ale mniejsze niż w zawiesinie.

19.Faza rozproszona i ośrodek dyspersyjny

W koloidzie faza rozproszona odpowiada substancji rozpuszczonej w roztworze właściwym, a ośrodek dyspersyjny (faza rozpraszająca) pełni funkcję rozpuszczalnika. Rodzaj koloidu zależy od stanu skupienia obu faz.

20.Koloidy z ciekłym ośrodkiem dyspersyjnym

Piana - fazą rozproszoną jest gaz, np. bita śmietana, pianka do golenia. Emulsja - ciecz, np. mleko, majonez. Zol - substancja stała, np. wodorotlenki i sole o rozdrobnieniu koloidalnym w wodzie albo białko jaja z wodą. Zole, w których ośrodkiem dyspersyjnym jest woda, to hydrozole.

21.Koloidy z gazowym i stałym ośrodkiem dyspersyjnym

W gazie: aerozol - fazą rozproszoną jest ciecz (mgła, chmury) albo substancja stała (dym, kurz); gaz w gazie nie tworzy koloidu. W substancji stałej: piana stała - gaz (pumeks, pianka izolacyjna), emulsja stała - ciecz (lody, bitumiczne nawierzchnie dróg), zol stały - substancja stała (rubin, ametyst).

22.Kondensacja i dyspersja

Dwie metody otrzymywania koloidów. Kondensacja - łączenie się jonów lub cząsteczek w większe zespoły, np. koloidy $\ce{ZnO}$, $\ce{Fe(OH)3}$, $\ce{AgCl}$ i polimerów. Dyspersja - rozdrabnianie większych cząstek w ośrodku dyspersyjnym: mechanicznie (ucieranie, miksowanie, mielenie), termicznie lub ultradźwiękami. Ważny jest dobór rozpuszczalnika: mydło w wodzie tworzy zol, a w benzynie - roztwór rzeczywisty.

23.Koloidy liofobowe i liofilowe

Koloid liofobowy - zol, w którym cząstki fazy rozproszonej nie oddziałują z cząstkami ośrodka dyspersyjnego; jest trwały, bo jego cząstki mają jednoimienne ładunki (selektywna adsorpcja jonów) i się odpychają. Koloid liofilowy - zol, w którym te cząstki oddziałują, a trwałość zapewnia warstwa ochronna z cząstek ośrodka. Gdy ośrodkiem jest woda, mówi się o koloidach hydrofobowych i hydrofilowych.

24.Efekt Tyndalla

Rozpraszanie światła na cząstkach koloidu - wiązka światła tworzy w nim charakterystyczny, widoczny stożek. Jest typowy dla zoli i innych koloidów (wyraźny w liofobowych, słabszy w liofilowych), a nie występuje w roztworach właściwych. Widać go np. jako smugi światła we mgle lub w zadymionym pomieszczeniu.

25.Koagulacja i peptyzacja

Koagulacja - przemiana zolu w żel: cząstki fazy rozproszonej łączą się w większe skupiska i powstaje galaretowaty, bezpostaciowy osad (żel). Wywołują ją sole (np. $\ce{NaCl}$ w zolu białka), inne elektrolity, alkohol, ogrzewanie, odparowanie ośrodka dyspersyjnego i wstrząsanie. W przyrodzie sole wody morskiej powodują koagulację koloidów u ujścia rzek - tak powstają delty. Peptyzacja - przemiana żelu w zol, np. po dodaniu wody; jest możliwa tylko dla koloidów liofilowych.

26.Denaturacja

Nieodwracalny proces koagulacji białka - trwale zmienia (niszczy) jego strukturę, przez co białko traci swoje właściwości. Zachodzi m.in. pod wpływem wysokiej temperatury, alkoholi, soli metali ciężkich, formaliny, stężonych kwasów i zasad oraz promieniowania jonizującego. Koagulacja pod wpływem soli, np. $\ce{NaCl}$, $\ce{(NH4)2SO4}$, nie narusza struktury białka i jest odwracalna.

27.Właściwości koloidów

Niektóre koloidy są bardzo trwałe; wiązka światła przechodząca przez koloid wywołuje efekt Tyndalla; koloidy ulegają koagulacji i peptyzacji; mają zdolność do pęcznienia i tworzenia galaret i żeli. Zole są jednak mniej trwałe niż roztwory rzeczywiste.

28.Rozpuszczalność

Maksymalna liczba gramów substancji, którą można rozpuścić w 100 g rozpuszczalnika w danej temperaturze i pod danym ciśnieniem, aby otrzymać roztwór nasycony. Zależy od rodzaju substancji i rozpuszczalnika oraz od temperatury, a w przypadku gazów również od ciśnienia.

29.Rozpuszczalność a rodzaj rozpuszczalnika

Chlorek sodu rozpuszcza się w wodzie (powstaje przezroczysta ciecz), a w benzynie się nie rozpuszcza i osiada na dnie. Przyczyną jest budowa jonowa $\ce{NaCl}$: sól dobrze rozpuszcza się w rozpuszczalniku polarnym (woda), a nie rozpuszcza się w niepolarnym (benzyna). Rozpuszczalność zależy więc od rodzaju rozpuszczalnika.

30.Rozpuszczalność gazów a temperatura

Rozpuszczalność gazów w wodzie zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury. Po lekkim ogrzaniu schłodzonej wody gazowanej wydzielają się pęcherzyki $\ce{CO2}$, który powoduje mętnienie wody wapiennej. Dlatego podczas gotowania można usunąć z wody zanieczyszczenia gazowe.

31.Podział substancji ze względu na rozpuszczalność w wodzie

W temperaturze pokojowej: dobrze rozpuszczalne - rozpuszczalność większa niż 2 g w 100 g wody, np. chlorek sodu $\ce{NaCl}$; średnio rozpuszczalne - od 0,1 g do 2 g w 100 g wody, np. siarczan(VI) wapnia $\ce{CaSO4}$; trudno rozpuszczalne - mniejsza niż 0,1 g w 100 g wody, np. węglan wapnia $\ce{CaCO3}$.

32.Krzywe rozpuszczalności

Wykresy zależności rozpuszczalności (g/100 g wody) od temperatury. Rozpuszczalność większości soli rośnie wraz ze wzrostem temperatury: dla niektórych znacząco (np. $\ce{NaNO3}$), dla innych prawie niezauważalnie ($\ce{NaCl}$). Tylko dla nielicznych soli, np. $\ce{Ce2(SO4)3}$, maleje. Rozpuszczalność gazów maleje wraz ze wzrostem temperatury.

33.Nieograniczona i ograniczona rozpuszczalność cieczy

Niektóre ciecze, np. etanol, mają nieograniczoną rozpuszczalność w wodzie - mieszają się z nią w dowolnym stosunku. Inne, np. benzyna, rozpuszczają się w wodzie w sposób ograniczony i tworzą z nią mieszaninę dwufazową z dwiema wyraźnymi warstwami cieczy.

34.Szybkość rozpuszczania substancji stałych

Rozpuszczanie przyspieszają: wyższa temperatura (zwykle), mieszanie i rozdrobnienie substancji rozpuszczanej (mniejsze cząstki mają większą powierzchnię). Czynniki te ułatwiają wnikanie rozpuszczalnika do wnętrza kryształów i rozrywanie sieci krystalicznej. Mieszanie i rozdrobnienie nie zmieniają jednak rozpuszczalności - wpływają tylko na szybkość rozpuszczania.

35.Roztwór nasycony

Roztwór zawierający maksymalną w danych warunkach masę substancji rozpuszczonej - tyle, ile wynika z jej rozpuszczalności w danej temperaturze. W tej temperaturze nie można rozpuścić w nim więcej tej substancji. Na wykresie odpowiada mu linia, czyli krzywa rozpuszczalności.

36.Roztwór nienasycony

Roztwór, w którym rozpuszczono mniejszą ilość substancji, niż wynosi jej rozpuszczalność w danych warunkach, więc można w nim rozpuścić jeszcze trochę tej substancji. Na wykresie odpowiada mu obszar pod krzywą rozpuszczalności.

37.Sposoby prowadzenia krystalizacji

Krystalizacja to proces odwrotny do rozpuszczania. Zachodzi m.in. po odparowaniu rozpuszczalnika albo po oziębieniu roztworu nasyconego substancji, której rozpuszczalność rośnie z temperaturą - nadmiar substancji wydziela się jako kryształy. Można ją zainicjować kryształem substancji rozpuszczonej, np. zawieszonym na nici. Powolna krystalizacja daje duże, regularne kryształy; to ważna metoda oczyszczania substancji stałych.

38.Roztwór przesycony

Roztwór zawierający więcej substancji rozpuszczonej, niż znajduje się jej w roztworze nasyconym w danej temperaturze. Otrzymuje się go przez ostrożne oziębianie roztworu nasyconego, gdy rozpuszczalność maleje ze spadkiem temperatury. Jest nietrwały: po wstrząsie lub dodaniu zarodka krystalizacji (np. cząstki kurzu) nadmiar substancji natychmiast krystalizuje i powstają roztwór nasycony oraz osad.

39.Jak obliczyć masę substancji w roztworze nasyconym?

Rozpuszczalność (R) to masa substancji w roztworze nasyconym na każde 100 g wody, więc 100 g wody i R gramów substancji tworzą $(100 + R)$ gramów roztworu nasyconego. Dla innej masy wody korzysta się z proporcji: $\frac{m_s}{m_{\mathrm{wody}}} = \frac{R}{100~\mathrm{g}}$. Tak oblicza się masę substancji, potrzebną masę wody albo samą rozpuszczalność.

40.Jak obliczyć masę kryształów po oziębieniu roztworu nasyconego?

Jeśli rozpuszczalność maleje od $R_1$ (wyższa temperatura) do $R_2$ (niższa temperatura), to z roztworu nasyconego zawierającego 100 g wody wykrystalizuje $R_1 - R_2$ gramów substancji. Dla innej masy wody wynik przelicza się proporcjonalnie. Gdy podana jest masa roztworu, najpierw oblicza się masę wody: w $(100 + R_1)$ gramach roztworu jest 100 g wody.