II. gimnazija Maribor PROJEKTNA NALOGA Mentor vsebine: Irena Ilc, prof. Avtor: Andreja Urlaub Mentor oblike: Mirko Pešec, prof. Predmet: kemija - informatika Selnica ob Dravi, januar 2005
KAZALO VSEBINE Projektna naloga: O RAZTOPINAH RAZTOPINE... 5 AGREGATNO STANJE RAZTOPIN... 6 VRSTE TOPIL... 6 VRSTE RAZTOPIN GLEDE NA VELIKOST DELCEV TOPLJENCA:... 7 VZROKI RAZTAPLJANJA... 7 KVANTITATIVNA OPREDELITEV RAZTOPIN... 11 LASTNOSTI RAZTOPIN... 17 FIZIKALNE KOLIGATIVNE LASTNOSTI RAZTOPIN... 17 OSMOZA... 20 STVARNO KAZALO... 21 LITERATURA... 22 Andreja Urlaub 1.c, II.gimnazija Maribor 2
SLIKOVNO KAZALO Slika 1: raztopina... 4 Slika 2: raztapljanje ionskega kristala... 8 Slika 3: raztapljanje molekulskega kristala... 9 Slika 4: ionizacija ali disocijacija molekul... 10 Slika 5: osmoza... 20 Andreja Urlaub 1.c, II.gimnazija Maribor 3
R UVOD aztopine v našem življenju redno srečujemo, čeprav se mnogokrat njihove prisotnosti sploh ne zavedamo. (npr. sok, ki ga pijemo je pogosto raztopina vode in neke snovi, čaj, ki si ga sladkamo ) Ko si pripravljamo čaj, seveda ne izmerimo natančno, koliko sladkorja bomo dali vanj. V kemiji pa je mnogokrat pomembna še posebej natančnost merjenja, s katero pripravimo neko raztopino. Slika 1: raztopina Andreja Urlaub 1.c, II.gimnazija Maribor 4
RAZTOPINE Kemijsko definiramo pravo raztopino kot homogeno zmes več snovi (topila in topljenca) s spremenljivim razmerjem komponent. Snov, ki se raztaplja v neki drugi snovi imenujemo topljenec (, snov, ki to snov topi pa topilo (A). Ponavadi je topila več kot topljenca. Količina topljenca, ki se raztaplja v določeni količini topila je omejena z njegovo topnostjo. TOPNOST je lastnost snovi pri določeni temperaturi, da se majhni delci snovi (najpogosteje gradniki snovi) porazdelijo med gradnike druge snovi. Topnost je odvisna od vrste topljenca, topila in temperature, pri plinih pa tudi od tlaka. Topnost s temperaturo ponavadi narašča pri plinih pa pada, vendar obstajajo tudi izjeme, pri katerih se topnost pri povečani temperaturi zmanjša (npr. CaS, Ca(OH) 2 ). a) nasičena raztopina vsebuje pri določeni temperaturi največjo možno količino topljenca v določeni količini topila. b) razredčena raztopina je tista raztopina, ki vsebuje veliko količino topila in malo količino topljenca c) koncentrirana raztopina je tista raztopina, ki vsebuje veliko količino topljenca in malo količino topila Andreja Urlaub 1.c, II.gimnazija Maribor 5
AGREGATNO STANJE RAZTOPIN Topilo in topljenec sta lahko v vseh agregatnih stanjih izjema je le plinasto, saj plinast topljenec in topilo, ki se mešata prištevamo k plinskim mešanicam. Najpogostejše so raztopine trdnih snovi v tekočih topilih. Primere raztopin, ki jih dobimo, ko mešamo različna topila in topljence nam prikazuje spodnja tabela. Tabela št.1: agregatno stanje raztopin TOPILO (agregatno TOPLJENEC PRIMER stanje) (agregatno stanje) RAZTOPINE trdno trdno zlitina trdno tekoče zlitina z živim srebrom trdno plinasto vodik v paladiju tekoče trdno raztopina kuhinjske soli tekoče tekoče raztopina alkohola tekoče plinasto radenska plinasto trdno dim plinasto tekoče megla plinasto plinasto ni raztopina VRSTE TOPIL Poznamo polarna in nepolarna topila. Najbolj znano in razširjeno polarno topilo je voda, poleg nje pa še etanol. Pri nepolarnih je najbolj znan ogljikov tetraklorid, zaradi velike nevarnosti pri delu z njim pa velikokrat uporabljamo bencin. Polarne snovi se tako raje topijo v polarnih topilih, medtem ko se nepolarne raje v nepolarnih. Andreja Urlaub 1.c, II.gimnazija Maribor 6
VRSTE RAZTOPIN GLEDE NA VELIKOST DELCEV TOPLJENCA: prave raztopine koloidne raztopine grobo disperzne sisteme (suspenzije) Tabela 2: raztopine ločene glede na velikost delcev vrsta raztopine prava raztopina koloidna raztopina suspenzija velikost delcev manjši od 10-9 m večji od 10-9 m in večji od 10-7 m manjši od 10-7 m vrsta delcev molekule, ioni amorfni delci, velike molekule veliki amorfni ali kristalčni delci VZROKI RAZTAPLJANJA Med molekulami topila in gradniki na površini topljenca se lahko vzpostavijo molekulske vezi. Pri tem se sprošča energija, ki se porabi za prekinitev vezi, s katerimi so gradniki na površini kristala vezani v kristalno strukturo. Tako se od kristalne strukture loči plast gradnikov in proces se nadaljuje. Andreja Urlaub 1.c, II.gimnazija Maribor 7
a) RAZTAPLJANJE IONSKEGA KRISTALA Primer: raztapljanje NaCl v vodi Ko vržemo v vodo kristalček NaCl se polarne molekule usmerijo proti ionom, ki so na površini topljenca, z negativnim koncem proti pozitivnim ionom in z pozitivnim koncem proti negativnim ionom. Polarne molekule vode oslabijo vezi med ioni v kristalu NaCl. Ta pojav imenujemo hidratacija. Molekule vode odtrgajo ione iz kristalov. Te ione imenujemo hidratizirani ioni ioni obdani s šopom molekul vode. Tako nastane raztopina. Hidratacija je eksotermen proces. Energija, ki nastane se porabi za prekinitev vezi med ioni v kristalu. V primeru, da topilo ni voda, ne uporabljamo pojma hidratacija ampak solvatacija. NaCl (s) + H 2 O (aq) Na + (aq) + Cl - (aq) Slika 2: raztapljanje ionskega kristala Andreja Urlaub 1.c, II.gimnazija Maribor 8
b) RAZTAPLJANJE MOLEKULSKEGA KRISTALA Primer: raztapljanje molekule sladkorja (C 12 H 22 O 11 ) v vodi Vzrok za raztapljanje pa je prav tako hidratacija. C 12 H 22 O 11 (s) + H 2 O (aq) C 12 H 22 O 11 (aq) Slika 3: raztapljanje molekulskega kristala Andreja Urlaub 1.c, II.gimnazija Maribor 9
c) IONIZACIJA ELEKTROLITSKA DISOCIACIJA Hidratacija pa je v nekaterih primerih tako močna, da se molekule topljenca raztrgajo. Pri tem nastanejo iz molekul ioni. Ta pojav imenujemo elektrolitska disociacija. Primer: raztapljanje HCl v vodi Polarne molekule HCl se hidratizirajo in nato disocirajo v ione: HCl (aq) + H 2 O H 3 O + (aq) + Cl - (aq). Nastala raztopina je elektrolit (klorovodikova kislina). Vsebuje hidratizirane ione H 3 O + in Cl - ter v manjši meri nedisocirane molekule HCl. Če je energija pri hidrataciji večja od mrežne enrgije, se med raztapljanjem energija sprošča (eksotermna reakcija), če pa je mrežna energija večja od hidratacijske pa se energija porablja (endotermna reakcija). Slika 4: ionizacija ali disocijacija molekul Andreja Urlaub 1.c, II.gimnazija Maribor 10
KVANTITATIVNA OPREDELITEV RAZTOPIN V kemiji moramo raztopine kvantitativno opredeliti (torej poznati moramo količino topila in topljenca). Za opredelitev teh dveh količin uporabljamo veliko fizikalnih veličin. Sestavo raztopin lahko tako opišemo z: 1. deleži: -masni -množinski -prostorninski 2. koncentracijami: -masna -množinska - volumska 3. razmerji: -masno -množinsko -prostorninsko 4. molalnostjo 1. DELEŽI Deleži so veličine, ki nakazujejo kolikšen del vzorca pripada posamezni komponenti. Nimajo enote, izrazimo jih v odstodkih. a) masni delež (ali masni odstotek) definicijska enačba: w( = A) + Andreja Urlaub 1.c, II.gimnazija Maribor 11
b) množinski delež definicijska enačba: x ( = n( n( A) + n( c) prostorninski delež definicijska enačba: φ ( = V ( * V ( A) + V ( *V (A) +V( pred mešanjem Primer naloge: Imamo 72 g vode in 45, 98g NaCl. Izračunaj množinski in masni delež NaCl v tej raztopini! m (A) = 72g m ( = 45,98g w ( =? x ( =? w( = A) + m (R) = m (A) + m ( m (R) = 72g + 45,98 R)=117,98g Andreja Urlaub 1.c, II.gimnazija Maribor 12
45,98g w( = 117,98g w( = 0,3897 w( = 38,97% ------------------------------------------------------------------------------------------------ n ( = M ( x ( = x ( = n( n( A) + n( 2mol 6mol 54,98gmol n ( = 22,99g n ( = 2 mol ------------------------------ x ( = 0,3333 x ( = 3,33% n (A) = A) M ( A) n (A) = 72gmol 18g n (A) = 4 mol ------------------------------- n (R) = n (A) + n ( n (R) = 4 mol + 2 mol n (R) = 6 mol Andreja Urlaub 1.c, II.gimnazija Maribor 13
2. KONCENTRACIJE Koncentracije so veličine, ki nakazujejo količino ene komponente v razmerju z volumnom zmesi. Koncentracije imajo merske enote. a) masna koncentracija definicijska enačba: γ ( = V ( R) b) množinska koncentracija definicijska enačba: c ( = n( V ( R) c) volumska koncentracija definicijska enačba: δ ( = V ( V ( R) Primer naloge: Fiziološka raztopina, ki se uporablja v medicini po opravljenih operacijah, vsebuje NaCl s koncentracijo 0,154 mol/l. Koliko gramov se nahaja v 500mL take raztopine? Andreja Urlaub 1.c, II.gimnazija Maribor 14
c (NaCl) = 0,154 mol/l V (R) = 500mL = 0,5L m (NaCl) =? c ( = n( V ( R) n (NaCl) = c (NaCl) V (R) M ( = c (NaCl) V (R) m (NaCl) = c (NaCl) V (R) M ( m (NaCl) = 0,154 mol/l 0,5 L 58,44 g/mol m (NaCl) = 4,499g = 4,5 g Andreja Urlaub 1.c, II.gimnazija Maribor 15
3. RAZMERJA Razmerje neke raztopine nam pove koliko je topljenca glede na topilo, ali pa obratno. Nimajo enote. a. masno razmerje A) b. množinsko razmerje n( n( A) c. prostorninsko razmerje V ( V ( A) Primer naloge: Kolikšno je masno in množinsko razmerje topljenca in topila v raztopini ki vsebuje 3 mole vode in 27g MgS? a) masno razmerje n (H 2 O) = 3 mol m (H 2 O) = 54g m (MgS) = 27g n (MgS) = 1,1 mol A) 27g = 54g = 2 1 Andreja Urlaub 1.c, II.gimnazija Maribor 16
b) množinsko razmerje n (H 2 O) = 3 mol m (H 2 O) = 54g m (MgS) = 27g n(mgs) = 1,1 mol n( n( A) = 1,1 mol 3mol = 1 2,7 LASTNOSTI RAZTOPIN Raztopine olajšajo potek kemijskih resakcij Primer: NaOH + HCl NaCl + H 2 O Prudukt sicer ni takoj viden, vendar bi se ob uparjanju raztopine izločili kristalčki NaCl. Pri tej kemijski reakciji smo uporabili raztopino NaOH in raztopino HCl v vodi. Ta reakcija pa nebi potekla enako hitro, če bi imeli na voljo trden NaCl in plinast HCl. FIZIKALNE KOLIGATIVNE LASTNOSTI RAZTOPIN Fizikalne lastnosti raztopin so odvisne od koncentracije raztopin (torej od števila raztopljenih molekul ionov ). Raztopina ima višje vrelišče in nižje tališče, nižji parni tlak*. Molekule lahko prehajajo iz tekoče v plinsko fazo, pri čemer nastaja para. Število molekul v pari narašča, dokler ni doseženo dinamično ravnovesje med obema fazama, ko molekule iz tekoče prehajajo v plinsko fazo in nazaj tako, da je hitrost izhlapevanja enaka hitrosti kondenzacije. Tlak pare, ki je v ravnotežju s tekočino v zaprti posodi, imenujemo parni tlak. Normalno vrelišče je definirano kot temperatura, pri kateri doseže parni tlak tekočine vrednost normalnega tlaka.pri drugačnih pogojih (npr. visoko v gorah ali globoko v rudnikih) je parni Andreja Urlaub 1.c, II.gimnazija Maribor 17
tlak enak zunanjemu tlaku pri drugačni temperaturi, zato je vrelišče iste snovi različno. Raztopina ima nižji parni tlak od samega topila. Vzrok je v tem, da molekule topila sodelujejo pri raztapljanju topljenca torej težnja po prehodu v plinsko fazo se zmanjša. To je tudi vzrok, da se vrelišče raztopin zviša in da se tališče zniža. Z merjenjem zvišanja vrelišča in znižanja tališča lahko določimo molsko maso topljenca.pri tem računanju sta nam v pomoč dve konstanti. 1. Za zvišanje vrelišča uporabljamo ebulioskopijsko konstanto: ΔT = K c b( 1 2. Za znižanje tališča pa uporabljamo krioskopsko konstanto: ΔT = K k b( Obe konstanti sta odvisni od topila. Vrednosti teh konstant pa lahko najdemo v različnih priročnikih, nekaj primerov je navedenih tudi v spodnji tabeli. topilo zvišanje vrelišča (ºC) znižanje tališča (ºC) voda 0,51-1,86 benzen 2,63-5,12 ocetna kislina 3,14-3,90 1 b( = n( = A) M( A) Andreja Urlaub 1.c, II.gimnazija Maribor 18
Topnost različnih snovi v odvisnosti od temperature. Andreja Urlaub 1.c, II.gimnazija Maribor 19
OSMOZA Osmoza pomeni prehajanje topila skozi polprepustno membrano iz raztopine z manjšo koncentracijo v raztopino z večjo koncentracijo. Polprepustna membrana prepušča le molekule topila. Osmoza je posledica težnje raztopine pa razredčenju. Polprepustne membrane so lahko iz naravnega ali umetnega materiala. V kemiji zelo poznana in pogosto uporabljena je tanka plast spojine Cu 2 [Fe(CN) 6 ] na prozornem keramičnem lončku. Pojav osmoze je pomemben tudi v bioloških sistemih. Celične membrane v organizmih prepuščajo nekatere topljence in vodo. Koncentracija soli v krvni plazmi je enaka kot v 0,9% raztopini NaCl v vodi. Če damo krvne celice v čisto vodo, gredo molekule vode skozi membrano in razredčijo celično tekočino. Celice zato nabreknejo in počijo. Zardi tega je potrebno paziti, da imajo tekočine, ki jih dodajamo krvi enako koncentracijo kot sama kri. Tukaj lahko tudi iščemo vzrok zakaj se ljudje prej utopijo v sladki kot v slani vodi. Slika 5: osmoza Andreja Urlaub 1.c, II.gimnazija Maribor 20
STVARNO KAZALO Deleži...11 Ebulioskopijska konstanta...18 Grobo disperzni sistem...7 Koloidne raztopine...7 Koncentracije...14 Koncentrirana raztopina...5 Krioskopska konstanta...18 Nasičena raztopina...5 Osmoza...20 Prave raztopine...7 Razmerja...16 Razredčena raztopina...5 Topilo...6 Topljenec...6 Topnost... 5 Andreja Urlaub 1.c, II.gimnazija Maribor 21
LITERATURA BRENČIČ, J., LAZARINI, F. 1993. Splošna in anorganska kemija za gimnazije, strokovne in tehniške šole. Ljubljana: DZS Kemija. Ljubljana: Cankarjeva založba. 1976 HOLMAN, J.1998. Svet snovi. Maribor: Založba Obzorja Andreja Urlaub 1.c, II.gimnazija Maribor 22