Најважније из лекције
- Дисперзни системи: Састоје се од дисперговане фазе и дисперзионог средства; деле се према величини честица на грубо дисперзне (\(>100\text{ nm}\)), колоидно дисперзне (\(1\text{--}100\text{ nm}\)) и молекулско дисперзне/праве растворе (\(<1\text{ nm}\)).
- Растворљивост (\(R\)): Представља број грама супстанце растворене у \(100\text{ g}\) растварача на одређеној температури. Поларне супстанце се растварају у поларним, а неполарне у неполарним растварачима.
- Квантитативно изражавање:
- Масени удео: \(\omega = \frac{m_{rs}}{m_r}\)
- Количинска концентрација: \(c = \frac{n}{V} = \frac{m_{rs}}{M \cdot V}\)
- Молална концентрација: \(b = \frac{n}{m_{\text{растварача}}}\)
- Колоиди: Показују Тиндалов ефекат (расејавање светлости); прелазе из сола у гел процесом коагулације, а обратно процесом пептизације.
- Колигативна својства: Својства разблажених раствора која зависе само од укупног броја честица (\(\Delta T_e = a \cdot b \cdot K_e\), \(\Delta T_f = a \cdot b \cdot K_f\), \(\Pi = a \cdot c \cdot R \cdot T\)). Електролити због дисоцијације (\(a > 1\)) имају јачи ефекат од неелектролита (\(a = 1\)).
Дисперзни системи су смеше у којима су једна или више супстанци (диспергована фаза), у већој или мањој мери уситњене, равномерно распоређене у окружујућој супстанци (дисперзионо средство).
| Врста дисперзног система | Величина честица (\(d\)) | Особине и стабилност | Примери |
|---|---|---|---|
| Грубо дисперзни системи | \(d > 100\text{ nm}\) | Нестабилни; честице се таложе (седиментирају); могу се одвојити филтрирањем; честице су често видљиве голим оком. | Суспензије (чврсто у течном: мутна речна вода), емулзије (течно у течном: масноћа у млеку, уље у води). |
| Колоидно дисперзни системи | \(1\text{ nm} < d < 100\text{ nm}\) | Релативно стабилни; честице пролазе кроз филтер-папир, али не кроз полупропустљиве мембране; показују Тиндалов ефекат. | Солови, гелови, емулзије, козметичке креме, пена од беланаца, дим, магла. |
| Молекулско дисперзни системи (прави раствори) | \(d < 1\text{ nm}\) | Потпуно хомогени и трајно стабилни; честице су појединачни јони или молекули; не могу се одвојити филтрирањем. | Раствор кухињске соли (\(\text{NaCl}\)) у води, раствор глукозе, ваздух, легуре (бронза). |
Правило за одређивање растварача:
1. Растварач је она супстанца која је истог агрегатног стања као и настали раствор.
2. Ако су све компоненте истог агрегатног стања, растварач је супстанца које има највише (у највећој маси/запремини).
1. Растварач је она супстанца која је истог агрегатног стања као и настали раствор.
2. Ако су све компоненте истог агрегатног стања, растварач је супстанца које има највише (у највећој маси/запремини).
Одредити шта је растварач, а шта растворена супстанца у раствору који садржи \(40\text{ g}\) етанола и \(60\text{ g}\) воде.
Пошто су обе супстанце течности на собној температури, растварач је она супстанца које има више по маси. Дакле, вода је растварач (\(60\text{ g}\)), а етанол је растворена супстанца (\(40\text{ g}\)).
Растварање представља физичко-хемијски процес преласка супстанце у раствор. При растварању јонских супстанци у води дешавају се три истовремена процеса:
- Раскидање веза у кристалној решетки растворене супстанце (везује се енергија).
- Раскидање међумолекулских (водоничних) веза између молекула воде (везује се енергија).
- Хидратација – стварање јон-дипол веза између јона и поларних молекула воде (енергија се ослобађа).
- Ако је енергија потребна за разарање кристалне решетке већа од енергије хидратације, долази до хлађења раствора (ендотерман ефекат, нпр. растварање \(\text{KCl}\)).
- Ако се при хидратацији јона ослободи више енергије него што се утроши на разарање решетке, долази до загревања раствора (егзотерман ефекат, нпр. растварање безводног \(\text{CaCl}_2\)).
Динамичка равнотежа: Када се брзина растварања изједначи са брзином супротног процеса – кристализације, у систему се успоставља динамичка равнотежа.
Зашто се негативни јони хлора (\(\text{Cl}^-\)) при растварању у води оријентишу према водониковим атомима молекула воде?
Молекул воде (\(\text{H}_2\text{O}\)) је дипол где кисеоник носи делимично негативно наелектрисање (\(\delta^-\)), а водоникови атоми делимично позитивно наелектрисање (\(\delta^+\)). Због електростатичког привлачења, негативни хлоридни јони привлаче позитивније крајеве дипола воде (атоме водоника).
Растворљивост (\(R\)) представља максималан број грама растворене супстанце који се може растворити у \(100\text{ g}\) растварача (најчешће воде) на одређеној температури.
Подела раствора према садржају растворене супстанце:
- Засићен раствор: Садржи максималну масу растворене супстанце која се може растворити на датој температури (налази се у равнотежи са нераствореном супстанцом).
- Незасићен раствор: Садржи мање растворене супстанце него што одговара растворљивости на тој температури.
- Презасићен раствор: Садржи више растворене супстанце него што одговара њеној растворљивости. Ови раствори су врло нестабилни и лако кристалишу при потресу или убацивањем кристала („зачетка”).
Фактори који утичу на растворљивост:
- Хемијска природа (правило „слично се у сличном раствара”): Поларне и јонске супстанце се добро растварају у поларним растварачима (вода, етанол), док се неполарне супстанце (уља, масти) растварају у неполарним растварачима (хексан, бензен, \(\text{CCl}_4\)).
- Температура:
- За већину чврстих супстанци: растворљивост расте са порастом температуре.
- За гасове: растворљивост у води опада са порастом температуре.
- Притисак: Има утицаја само на гасове – са порастом притиска изнад раствора, растворљивост гаса расте.
Растворљивост соли на \(20\text{ }^\circ\text{C}\) износи \(36\text{ g}/100\text{ g }\text{H}_2\text{O}\). Колико се грама те соли може растворити у \(250\text{ g}\) воде на тој температури?
Постављамо пропорцију:
\[ 36\text{ g соли} : 100\text{ g воде} = x : 250\text{ g воде} \]
\[ x = \frac{36 \cdot 250}{100} = 90\text{ g соли} \]
Одговор: Може се растворити максимално \(90\text{ g}\) соли.
\[ \omega = \frac{m_{rs}}{m_r} \quad \text{односно} \quad \omega\% = \frac{m_{rs}}{m_r} \cdot 100\% \]
\(m_{rs}\) – маса растворене супстанце; \(m_r = m_{rs} + m_{\text{растварача}}\) – маса раствора.
\[ \gamma = \frac{m_{rs}}{V} \left[ \frac{\text{g}}{\text{dm}^3} \right] \quad \text{Масена концентрација} \]
\[ c = \frac{n}{V} = \frac{m_{rs}}{M \cdot V} \left[ \frac{\text{mol}}{\text{dm}^3} \right] \quad \text{Количинска (моларна) концентрација} \]
\[ b = \frac{n}{m_{\text{растварача}}} \left[ \frac{\text{mol}}{\text{kg}} \right] \quad \text{Молална концентрација (молалитет)} \]
\[ \rho = \frac{m_r}{V} \left[ \frac{\text{g}}{\text{cm}^3} \text{ или } \frac{\text{g}}{\text{dm}^3} \right] \quad \text{Густина раствора} \]
Разблаживање и мешање раствора:
При разблаживању додавањем чистог растварача, маса растворене супстанце остаје непромењена: \[ m_{rs1} = m_{rs2} \implies \omega_1 \cdot m_{r1} = \omega_2 \cdot m_{r2} \quad \text{односно} \quad c_1 \cdot V_1 = c_2 \cdot V_2 \] При мешању два раствора исте супстанце: \[ m_{rs3} = m_{rs1} + m_{rs2} \implies \omega_3 \cdot m_{r3} = \omega_1 \cdot m_{r1} + \omega_2 \cdot m_{r2} \quad (m_{r3} = m_{r1} + m_{r2}) \]
При разблаживању додавањем чистог растварача, маса растворене супстанце остаје непромењена: \[ m_{rs1} = m_{rs2} \implies \omega_1 \cdot m_{r1} = \omega_2 \cdot m_{r2} \quad \text{односно} \quad c_1 \cdot V_1 = c_2 \cdot V_2 \] При мешању два раствора исте супстанце: \[ m_{rs3} = m_{rs1} + m_{rs2} \implies \omega_3 \cdot m_{r3} = \omega_1 \cdot m_{r1} + \omega_2 \cdot m_{r2} \quad (m_{r3} = m_{r1} + m_{r2}) \]
Колико грама воде треба додати у \(200\text{ g}\) \(20\%\) раствора соли да би се добио \(5\%\) раствор?
1. Маса растворене супстанце:
\[ m_{rs} = \omega_1 \cdot m_{r1} = 0,20 \cdot 200\text{ g} = 40\text{ g} \]
2. Маса новог \(5\%\) раствора:
\[ m_{r2} = \frac{m_{rs}}{\omega_2} = \frac{40\text{ g}}{0,05} = 800\text{ g} \]
3. Маса додате воде:
\[ m(\text{H}_2\text{O}) = m_{r2} - m_{r1} = 800\text{ g} - 200\text{ g} = 600\text{ g} \]
Колоидни раствори (солови) су микрохетерогени системи у којима је дисперзионо средство течност. Према интеракцији са водом деле се на:
- Хидрофилни колоиди: Јаке интеракције између воде и честица дисперговане фазе (макромолекули као што су протеини, скроб, желатин).
- Хидрофобни колоиди: Слаб афинитет према води; стабилност дугују адсорпцији истоимено наелектрисаних јона на површини честица, због чега се честице међусобно одбијају.
Фазне трансформације колоида:
- Коагулација: Прелазак сола у гел (згушњавање у мрежасту структуру) или талог. Изазива се загревањем, додавањем јаких електролита или супротно наелектрисаних колоида.
- Пептизација: Обрнут процес – прелазак свежег гела или талога поново у сол, најчешће испирањем и додатком воде.
Тиндалов ефекат: Појава расејавања светлости када сноп светлости пролази кроз колоидни раствор, при чему светлосни сноп постаје видљив са стране као дифузна (светлећа) путања. Молекулско дисперзни системи (прави раствори) не показују Тиндалов ефекат.
Како помоћу ласерског снопа можемо разликовати прави раствор кухињске соли од колоидног раствора скроба?
Пропуштањем снопа ласерске светлости кроз обе посуде:
• У раствору скроба јавиће се Тиндалов ефекат (светлосни траг ће се јасно видети у течности због расејавања светлости на крупнијим честицама).
• У раствору соли путања снопа светлости кроз течност неће бити видљива јер су честице сувише мале (\(d < 1\text{ nm}\)).
• У раствору скроба јавиће се Тиндалов ефекат (светлосни траг ће се јасно видети у течности због расејавања светлости на крупнијим честицама).
• У раствору соли путања снопа светлости кроз течност неће бити видљива јер су честице сувише мале (\(d < 1\text{ nm}\)).
Колигативна својства су својства разблажених раствора која зависе искључиво од укупног броја (концентрације) растворених честица, а не од њихове хемијске природе или масе.
Фактор дисоцијације (\(a\)): Број честица (јона/молекула) које настају растварањем једне формулске јединке:
- Неелектролити (глукоза, сахароза, уреа, етанол): \(a = 1\)
- \(\text{NaCl} \to \text{Na}^+ + \text{Cl}^-\): \(a = 2\)
- \(\text{CaCl}_2 \to \text{Ca}^{2+} + 2\text{Cl}^-\): \(a = 3\)
- \(\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3 \to 2\text{Al}^{3+} + 3\text{SO}_4^{2-}\): \(a = 5\)
\[ \Delta T_e = a \cdot b \cdot K_e \quad \text{Повишење температуре кључања} \]
\[ \Delta T_f = a \cdot b \cdot K_f \quad \text{Снижење температуре мржњења} \]
\[ \Pi = a \cdot c \cdot R \cdot T \quad \text{Осмотски притисак [kPa]} \]
\(K_e\) – ебулиоскопска константа; \(K_f\) – криоскопска константа растварача; \(b\) – молалитет (\(\text{mol/kg}\)); \(c\) – моларна концентрација (\(\text{mol/dm}^3\)).
Практичне примене:
- Посипање путева сољу: Додатак \(\text{NaCl}\) или \(\text{CaCl}_2\) снижава тачку мржњења воде, па се лед топи и на температурама испод \(0\text{ }^\circ\text{C}\).
- Антифриз у аутомобилима: Смеша воде и етилен-гликола омогућава течности да не замрзне на ниским зимским температурама и да не прокључа лако лети.
- Осмоза: Спонтан прелазак молекула растварача кроз полупропустљиву мембрану из раствора мање у раствор веће концентрације. Кључна је за транспорт воде у ћелијама живих бића.
Који од следећих водених раствора исте молалне концентрације (\(b = 0,1\text{ mol/kg}\)) ће имати најнижу температуру мржњења: раствор глукозе, \(\text{NaCl}\) или \(\text{CaCl}_2\)?
Снижење температуре мржњења рачуна се као \(\Delta T_f = a \cdot b \cdot K_f\).
Вредности фактора \(a\):
• Глукоза: \(a = 1 \implies \Delta T_f = 1 \cdot b \cdot K_f\)
• \(\text{NaCl}\): \(a = 2 \implies \Delta T_f = 2 \cdot b \cdot K_f\)
• \(\text{CaCl}_2\): \(a = 3 \implies \Delta T_f = 3 \cdot b \cdot K_f\)
Пошто \(\text{CaCl}_2\) даје највећи број честица (\(a = 3\)), он изазива највеће снижење тачке мржњења (\(\Delta T_f\)), па ће раствор \(\text{CaCl}_2\) имати најнижу температуру мржњења.
Вредности фактора \(a\):
• Глукоза: \(a = 1 \implies \Delta T_f = 1 \cdot b \cdot K_f\)
• \(\text{NaCl}\): \(a = 2 \implies \Delta T_f = 2 \cdot b \cdot K_f\)
• \(\text{CaCl}_2\): \(a = 3 \implies \Delta T_f = 3 \cdot b \cdot K_f\)
Пошто \(\text{CaCl}_2\) даје највећи број честица (\(a = 3\)), он изазива највеће снижење тачке мржњења (\(\Delta T_f\)), па ће раствор \(\text{CaCl}_2\) имати најнижу температуру мржњења.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (Лак): У \(180\text{ g}\) дестиловане воде растворено је \(20\text{ g}\) натријум-хидроксида (\(\text{NaOH}\)). Израчунати масени удео и процентни садржај \(\text{NaOH}\) у том раствору.
1. Маса укупног раствора:
\[ m_r = m_{rs} + m_{\text{вода}} = 20\text{ g} + 180\text{ g} = 200\text{ g} \]
2. Масени удео:
\[ \omega = \frac{m_{rs}}{m_r} = \frac{20\text{ g}}{200\text{ g}} = 0,10 \]
3. Процентни садржај:
\[ \omega\% = 0,10 \cdot 100\% = 10\% \]
Одговор: Масени удео је \(0,10\) (односно \(10\%\)).
Задатак 2 (Средњи): Колико је грама натријум-хлорида (\(M(\text{NaCl}) = 58,5\text{ g/mol}\)) потребно за припремање \(500\text{ cm}^3\) воденог раствора количинске концентрације \(c = 0,2\text{ mol/dm}^3\)?
1. Претварање запремине у \(\text{dm}^3\):
\[ V = 500\text{ cm}^3 = 0,5\text{ dm}^3 \]
2. Израчунавање количине супстанце (\(n\)):
\[ n = c \cdot V = 0,2\text{ mol/dm}^3 \cdot 0,5\text{ dm}^3 = 0,1\text{ mol} \]
3. Израчунавање масе (\(m\)):
\[ m = n \cdot M = 0,1\text{ mol} \cdot 58,5\text{ g/mol} = 5,85\text{ g} \]
Одговор: Потребно је одмерити \(5,85\text{ g}\) \(\text{NaCl}\).
Задатак 3 (Средњи): Растворљивост калијум-нитрата (\(\text{KNO}_3\)) на \(60\text{ }^\circ\text{C}\) износи \(110\text{ g}/100\text{ g }\text{H}_2\text{O}\), а на \(20\text{ }^\circ\text{C}\) износи \(32\text{ g}/100\text{ g }\text{H}_2\text{O}\). Колико грама \(\text{KNO}_3\) ће се искристалисати хлађењем \(420\text{ g}\) засићеног раствора са \(60\text{ }^\circ\text{C}\) на \(20\text{ }^\circ\text{C}\)?
1. На \(60\text{ }^\circ\text{C}\): \(100\text{ g}\) воде даје \(100 + 110 = 210\text{ g}\) засићеног раствора.
Постављамо пропорцију за масу соли у \(420\text{ g}\) раствора: \[ 110\text{ g соли} : 210\text{ g раствора} = m_1(\text{соли}) : 420\text{ g раствора} \] \[ m_1(\text{соли}) = \frac{110 \cdot 420}{210} = 220\text{ g} \] Маса воде у раствору: \(m(\text{H}_2\text{O}) = 420\text{ g} - 220\text{ g} = 200\text{ g}\).
2. На \(20\text{ }^\circ\text{C}\): у \(200\text{ g}\) воде може остати растворено: \[ 32\text{ g соли} : 100\text{ g воде} = m_2(\text{соли}) : 200\text{ g воде} \] \[ m_2(\text{соли}) = \frac{32 \cdot 200}{100} = 64\text{ g} \] 3. Маса супстанце која је искристалисала: \[ m_{\text{крист}} = m_1 - m_2 = 220\text{ g} - 64\text{ g} = 156\text{ g} \] Одговор: Искристалисаће \(156\text{ g}\) \(\text{KNO}_3\).
Постављамо пропорцију за масу соли у \(420\text{ g}\) раствора: \[ 110\text{ g соли} : 210\text{ g раствора} = m_1(\text{соли}) : 420\text{ g раствора} \] \[ m_1(\text{соли}) = \frac{110 \cdot 420}{210} = 220\text{ g} \] Маса воде у раствору: \(m(\text{H}_2\text{O}) = 420\text{ g} - 220\text{ g} = 200\text{ g}\).
2. На \(20\text{ }^\circ\text{C}\): у \(200\text{ g}\) воде може остати растворено: \[ 32\text{ g соли} : 100\text{ g воде} = m_2(\text{соли}) : 200\text{ g воде} \] \[ m_2(\text{соли}) = \frac{32 \cdot 200}{100} = 64\text{ g} \] 3. Маса супстанце која је искристалисала: \[ m_{\text{крист}} = m_1 - m_2 = 220\text{ g} - 64\text{ g} = 156\text{ g} \] Одговор: Искристалисаће \(156\text{ g}\) \(\text{KNO}_3\).
Задатак 4 (Тежак): Израчунати тачку кључања и тачку мржњења воденог раствора калцијум-хлорида (\(\text{CaCl}_2\)) у коме је у \(500\text{ g}\) воде растворено \(0,05\text{ mol}\) ове соли, под претпоставком да је дисоцијација потпуна. Криоскопска константа за воду је \(K_f = 1,86\text{ kg}\cdot\text{K/mol}\), а ебулиоскопска \(K_e = 0,52\text{ kg}\cdot\text{K/mol}\).
1. Израчунавање молалитета (\(b\)):
\[ m_{\text{растварача}} = 500\text{ g} = 0,5\text{ kg} \]
\[ b = \frac{n}{m_{\text{растварача}}} = \frac{0,05\text{ mol}}{0,5\text{ kg}} = 0,1\text{ mol/kg} \]
2. Одређивање фактора \(a\):
\[ \text{CaCl}_2 \to \text{Ca}^{2+} + 2\text{Cl}^- \implies a = 1 + 2 = 3 \]
3. Снижење тачке мржњења:
\[ \Delta T_f = a \cdot b \cdot K_f = 3 \cdot 0,1\text{ mol/kg} \cdot 1,86\text{ kg}\cdot\text{K/mol} = 0,558\text{ K} \implies \Delta t_f = 0,558\text{ }^\circ\text{C} \]
\[ t_{\text{мржњења}} = 0\text{ }^\circ\text{C} - 0,558\text{ }^\circ\text{C} = -0,558\text{ }^\circ\text{C} \]
4. Повишење тачке кључања:
\[ \Delta T_e = a \cdot b \cdot K_e = 3 \cdot 0,1\text{ mol/kg} \cdot 0,52\text{ kg}\cdot\text{K/mol} = 0,156\text{ K} \implies \Delta t_e = 0,156\text{ }^\circ\text{C} \]
\[ t_{\text{кључања}} = 100\text{ }^\circ\text{C} + 0,156\text{ }^\circ\text{C} = 100,156\text{ }^\circ\text{C} \]
Одговор: Раствор мрзне на \(-0,558\text{ }^\circ\text{C}\), а кључа на \(100,156\text{ }^\circ\text{C}\).
