Најважније из лекције
Кључни закључци:
- Растварање укључује истовремено цепање веза у растворку, раскидање веза међу честицама растварача и стварање нових интеракција (хидратација/солватација).
- Топлотни ефекат: Ако је енергија решетке већа од енергије хидратације, долази до хлађења раствора (ендотермно); у супротном долази до загревања (егзотермно).
- Врсте раствора: Засићен (максимална количина растворка на датој температури, \(v_{\text{раст.}} = v_{\text{крист.}}\)), незасићен (мање од максимума) и презасићен (вишак растворка, термодинамички нестабилан).
- Растворљивост (\(R\)): Број грама супстанце који засићује \(100\text{ g}\) воде на датој температури.
- Зависност растворљивости: „Слично се у сличном раствара” (поларно у поларном, неполарно у неполарном); за чврсте супстанце \(R\) углавном расте са порастом \(T\); за гасове \(R\) опада са порастом \(T\), а расте са порастом притиска (\(p\)).
- Кристализација хлађењем: При промени температуре маса воде у систему остаје непромењена, што представља основ за сва стехиометријска израчунавања.
Растварање представља физичко-хемијски процес настајања раствора при којем долази до међусобног деловања честица растварача и растворене супстанце.
Приликом растварања чврстих јонских супстанци у води истовремено се одвијају три процеса:
- Раскидање јонских веза у кристалној решетки растворене супстанце;
- Раскидање међумолекулских (водоничних) веза између молекула воде;
- Грађење нових веза (јон-дипол интеракција) између јона и дипола воде.
Хидратација је процес везивања и окруживања честица растворене супстанце молекулима воде. Настале честице називају се хидратисани јони (или честице). Ако је растварач нека друга течност (а не вода), процес се назива солватација.
Како се молекули воде оријентишу око јона \(\text{Na}^+\) и \(\text{Cl}^-\) при растварању кухињске соли?
Око позитивног јона \(\text{Na}^+\) молекули воде се оријентишу својим парцијално негативним крајем (атом кисеоника, \(\delta^-\)), а око негативног јона \(\text{Cl}^-\) својим парцијално позитивним крајем (атоми водоника, \(\delta^+\)).
Свако растварање праћено је разменом енергије са околином. Топлотни ефекат зависи од односа енергије кристалне решетке и енергије хидратације.
- Ендотермно растварање (температура опада): Јавља се када је енергија потребна за разарање кристалне решетке већа од енергије која се ослобађа хидратацијом (нпр. растварање \(\text{KCl}\)).
- Егзотермно растварање (температура расте): Јавља се када је енергија ослобођена при хидратацији јона већа од енергије кристалне решетке (нпр. растварање безводног \(\text{CaCl}_2\)).
Када се у чашу са водом дода калијум-хлорид (\(\text{KCl}\)), зидови чаше постају хладнији јер систем везује топлоту из околине. Насупрот томе, додавањем безводног калцијум-хлорида (\(\text{CaCl}_2\)) долази до знатног загревања раствора.
Кристализација је процес супротан растварању, при којем честице растворене супстанце из раствора поново прелазе у чврсту фазу (кристал).
У раствору који је у контакту са талогом успоставља се динамичка равнотежа када је:
\[ v_{\text{растварања}} = v_{\text{кристализације}} \]
Према маси растворене супстанце на одређеној температури, раствори се деле на:
- Засићен раствор: Раствор у коме је успостављена динамичка равнотежа и који садржи максимално могућу масу растворене супстанце у датој маси растварача на одређеној температури.
- Незасићен раствор: Раствор који садржи мање растворене супстанце од засићеног раствора на истој температури.
- Презасићен раствор: Нестабилан систем који садржи више растворене супстанце него што одговара њеној растворљивости на тој температури. Добија се пажљивим хлађењем засићеног раствора са више температуре.
Презасићени раствори су веома нестабилни - благо протресање или додавање малог кристала („клице кристализације“) изазива тренутну кристализацију сувишне масе супстанце.
Растворљивост се означава словом \(R\) (или \(S\), од енгл. solubility).
Растворљивост супстанце представља број грама те супстанце који може да се раствори у \(100\text{ g}\) растварача (најчешће воде) на одређеној температури како би настао засићен раствор.
\[ R = \frac{m(\text{растворене супстанце})}{100\text{ g растварача}} \]
Јединица: \(\text{g} / 100\text{ g } \text{H}_2\text{O}\) на одређеној температури \(T\).
Фактори који утичу на растворљивост:
1. Природа супстанце и растварача („Слично се у сличном раствара“):
- Поларни растварачи (вода, алкохоли) растварају јонске супстанце (\(\text{NaCl}\)) и поларне ковалентне супстанце (\(\text{HCl}\), \(\text{NH}_3\), шећере).
- Неполарни растварачи (хексан, бензен, \(\text{CCl}_4\)) растварају неполарне ковалентне супстанце (уља, масти, јод \(\text{I}_2\)).
2. Температура:
- Чврсте супстанце: Растворљивост већине чврстих супстанци расте са порастом температуре.
- Гасовите супстанце: Растворљивост свих гасова у води опада са порастом температуре.
3. Притисак:
Утиче искључиво на растворљивост гасова - са порастом притиска изнад раствора, растворљивост гаса се повећава.
Гасови који хемијски реагују са водом (нпр. \(\text{NH}_3\), \(\text{CO}_2\)) или граде водоничне везе имају већу растворљивост од оне очекиване само на основу поларности.
Маса засићеног раствора је збир масе растворене супстанце и масе растварача:
\[ m(\text{раствора}) = m(\text{супстанце}) + m(\text{растварача}) \]
За засићен раствор важи пропорција:
\[ R\text{ g супстанце} : 100\text{ g воде} = m(\text{супстанце}) : m(\text{воде}) \]
\[ R\text{ g супстанце} : (100 + R)\text{ g раствора} = m(\text{супстанце}) : m(\text{раствора}) \]
При хлађењу засићеног раствора, маса воде остаје непромењена.
Маса искристалисане супстанце рачуна се као разлика растворене масе на вишој (\(T_1\)) и нижој (\(T_2\)) температури: \[ m_{\text{крист.}} = m_{\text{растворене супстанце}}(T_1) - m_{\text{растворене супстанце}}(T_2) \]
Маса искристалисане супстанце рачуна се као разлика растворене масе на вишој (\(T_1\)) и нижој (\(T_2\)) температури: \[ m_{\text{крист.}} = m_{\text{растворене супстанце}}(T_1) - m_{\text{растворене супстанце}}(T_2) \]
Колика је растворљивост соли ако се у \(25\text{ g}\) воде на \(20\ ^\circ\text{C}\) раствара максимално \(2\text{ g}\) те соли?
Поставка: \(2\text{ g соли} : 25\text{ g воде} = R : 100\text{ g воде}\) \[ R = \frac{2 \cdot 100}{25} = 8\text{ g} / 100\text{ g воде} \]
Поставка: \(2\text{ g соли} : 25\text{ g воде} = R : 100\text{ g воде}\) \[ R = \frac{2 \cdot 100}{25} = 8\text{ g} / 100\text{ g воде} \]
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак):
Које од следећих супстанци ће се добро растварати у води, а које у неполарном растварачу n-хексану: натријум-хлорид (\(\text{NaCl}\)), јод (\(\text{I}_2\)), јестиво уље и хлороводоник (\(\text{HCl}\))?
Вода је поларан растварач, а n-хексан неполаран. Према правилу „слично се у сличном раствара”:
- У води се добро растварају: \(\text{NaCl}\) (јонско једињење) и \(\text{HCl}\) (поларно ковалентно једињење).
- У n-хексану се добро растварају: јод \(\text{I}_2\) (неполарни ковалентни молекули) и јестиво уље (неполарна супстанца).
Задатак 2 (средњи):
У \(100\text{ g}\) засићеног раствора калцијум-бромида на \(0\ ^\circ\text{C}\) налази се \(56\text{ g}\) те соли. Израчунај растворљивост (\(R\)) калцијум-бромида на \(0\ ^\circ\text{C}\).
1. Корак: Одређивање масе воде у датом засићеном раствору:
\[ m(\text{воде}) = m(\text{раствора}) - m(\text{соли}) = 100\text{ g} - 56\text{ g} = 44\text{ g воде} \]
2. Корак: Постављање пропорције за израчунавање растворљивости у \(100\text{ g}\) воде:
\[ 56\text{ g соли} : 44\text{ g воде} = R : 100\text{ g воде} \]
\[ R = \frac{56\text{ g} \cdot 100\text{ g}}{44\text{ g}} \approx 127,27\text{ g соли} / 100\text{ g воде} \]
Одговор: Растворљивост калцијум-бромида на \(0\ ^\circ\text{C}\) износи \(127,27\text{ g} / 100\text{ g воде}\).
Задатак 3 (средњи):
Колико грама калијум-хлорида (\(\text{KCl}\)) и колико грама воде је потребно за припрему \(420\text{ g}\) засићеног раствора на температури на којој растворљивост те соли износи \(40\text{ g} / 100\text{ g воде}\)?
1. Корак: Растворљивост од \(40\text{ g} / 100\text{ g воде}\) значи да се мешањем \(40\text{ g}\) соли и \(100\text{ g}\) воде добија \(140\text{ g}\) засићеног раствора.
2. Корак: Постављање пропорције за масу соли у \(420\text{ g}\) раствора: \[ 40\text{ g соли} : 140\text{ g раствора} = m(\text{соли}) : 420\text{ g раствора} \] \[ m(\text{соли}) = \frac{40 \cdot 420}{140} = 120\text{ g соли} \] 3. Корак: Израчунавање масе воде: \[ m(\text{воде}) = 420\text{ g} - 120\text{ g} = 300\text{ g воде} \] Одговор: Потребно је \(120\text{ g}\) \(\text{KCl}\) и \(300\text{ g}\) воде.
2. Корак: Постављање пропорције за масу соли у \(420\text{ g}\) раствора: \[ 40\text{ g соли} : 140\text{ g раствора} = m(\text{соли}) : 420\text{ g раствора} \] \[ m(\text{соли}) = \frac{40 \cdot 420}{140} = 120\text{ g соли} \] 3. Корак: Израчунавање масе воде: \[ m(\text{воде}) = 420\text{ g} - 120\text{ g} = 300\text{ g воде} \] Одговор: Потребно је \(120\text{ g}\) \(\text{KCl}\) и \(300\text{ g}\) воде.
Задатак 4 (тежак):
Растворљивост алуминијум-сулфата, \(\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3\), на \(80\ ^\circ\text{C}\) износи \(73\text{ g} / 100\text{ g воде}\), а на \(20\ ^\circ\text{C}\) износи \(36,4\text{ g} / 100\text{ g воде}\). Колико грама ове соли ће искристалисати хлађењем \(200\text{ g}\) засићеног раствора са \(80\ ^\circ\text{C}\) на \(20\ ^\circ\text{C}\)?
1. Састав раствора на \(80\ ^\circ\text{C}\):
Маса референтног раствора: \(100\text{ g воде} + 73\text{ g соли} = 173\text{ g раствора}\).
Пропорција за масу соли у \(200\text{ g}\) раствора: \[ 73\text{ g соли} : 173\text{ g раствора} = m_1(\text{соли}) : 200\text{ g раствора} \] \[ m_1(\text{соли}) = \frac{73 \cdot 200}{173} \approx 84,39\text{ g} \] Маса воде у раствору (остаје непромењена при хлађењу): \[ m(\text{воде}) = 200\text{ g} - 84,39\text{ g} = 115,61\text{ g} \] 2. Растворена маса соли на \(20\ ^\circ\text{C}\): \[ 36,4\text{ g соли} : 100\text{ g воде} = m_2(\text{соли}) : 115,61\text{ g воде} \] \[ m_2(\text{соли}) = \frac{36,4 \cdot 115,61}{100} \approx 42,08\text{ g} \] 3. Маса искристалисане соли: \[ m_{\text{крист.}} = m_1(\text{соли}) - m_2(\text{соли}) = 84,39\text{ g} - 42,08\text{ g} = 42,31\text{ g} \] Одговор: Искристалисаће приближно \(42,31\text{ g}\) \(\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3\).
Маса референтног раствора: \(100\text{ g воде} + 73\text{ g соли} = 173\text{ g раствора}\).
Пропорција за масу соли у \(200\text{ g}\) раствора: \[ 73\text{ g соли} : 173\text{ g раствора} = m_1(\text{соли}) : 200\text{ g раствора} \] \[ m_1(\text{соли}) = \frac{73 \cdot 200}{173} \approx 84,39\text{ g} \] Маса воде у раствору (остаје непромењена при хлађењу): \[ m(\text{воде}) = 200\text{ g} - 84,39\text{ g} = 115,61\text{ g} \] 2. Растворена маса соли на \(20\ ^\circ\text{C}\): \[ 36,4\text{ g соли} : 100\text{ g воде} = m_2(\text{соли}) : 115,61\text{ g воде} \] \[ m_2(\text{соли}) = \frac{36,4 \cdot 115,61}{100} \approx 42,08\text{ g} \] 3. Маса искристалисане соли: \[ m_{\text{крист.}} = m_1(\text{соли}) - m_2(\text{соли}) = 84,39\text{ g} - 42,08\text{ g} = 42,31\text{ g} \] Одговор: Искристалисаће приближно \(42,31\text{ g}\) \(\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3\).
