OSOBINE RAZBLAŽENIH RASTVORA ili KOLIGATIVNE OSOBINE KOLIGATIVNE OSOBINE zavise od broja čestica
OSOBINE RAZBLAŽENIH RASTVORA ili KOLIGATIVNE OSOBINE Zašto koligativne? colligare (lat.) = povezati, udružiti Smisao je da se radi o združenim osobinama rastvora, koje ne zavise od vrste rastvorene supstance, već samo od broja rastvorenih čestica. Stalno misliti i tome! - sniženje napona pare - povišenje temperature ključanja - sniženje temperature mržnjenja - osmotski pritisak rastvora. Zašto razblaženi? Zato što je samo kod razblaženih rastvora (c <0,01 mol dm -3 ) ponašanje idealno, ili se približava idealnom.
Dijagram stanja vode topljenje - mržnjenje (očvršćavanje, kristalizacija) isparavanje - kondenzacija sublimacija - kondenzacija Krive isparavanja, topljenja i sublimacije prikazuju uslove pod kojima se dve odgovarajuće faze nalaze u ravnoteži. Trojna tačka: -tačka u kojoj se seku tri ravnotežne krive - pokazuje uslove pod kojima su sve tri faze u ravnoteži, tj. postoje tri agregatna stanja supstance (0,0075 o C, 613 Pa).
Na krivoj isparavanja (l-g): t b = 100 o C, p = p θ. Na krivoj topljenja (s-l): t f = 0 o C, p = p θ. - Krive topljenja i sublimacije (s-g) nisu ograničene, dok je kriva isparavanja ograničena kritičnom tačkom. -Za kritičnu tačku karakteristična je kritična t i kritični p (374 o C i 22,1 MPa). -Na t većim od kritične nema tečne faze i postoji samo gasovita faza, bez obzira na povećanje pritiska. -Do kritične t moguće je komprimovati gas povećanjem pritiska i prevesti ga u tečno stanje. Kriva topljenja ima negativan nagib - sa porastom p temperatura topljenja leda se snižava. Kriva sublimacije do sublimacije dolazi samo na temperaturama ispod trojne tačke i veoma niskim pritiscima.
Razlike u ponašanju supstanci Fazni dijagram ugljen-dioksida, CO 2 Fazni dijagram joda, I 2 Iako nesumnjivo uočavamo da I 2 sublimiše, on nema standardnu temperaturu sublimacije jer je trojna tačka ispod 101,3 kpa (113,5 o C, 12,1 kpa). CO 2 se naziva i suvi led zato što mu je trojna tačka na 515 kpa, tako da ima temperaturu sublimacije, to jest na standardnom pritisku direktno prelazi iz čvrstog u gasovito agregatno stanje. Proces sublimacije je endoterman i t sredine veoma brzo opada, zbog čega se koristi kao efikasno sredstvo za hlađenje.
Sve osobine razblaženih rastvora potiču od sniženja napona pare rastvarača u rastvoru (v. ranije Raulov zakon). Δt b = ΔT b = t b - t b Δt f = ΔT f = t f - t f (Δt f > Δt b ) b boiling (ključanje); f freezing (mržnjenje) p(h 2 O) = x(h 2 O) p o (H 2 O); x(h 2 O) = 1 - x(b) p o (H 2 O) - p(h 2 O) = Δp = p o (H 2 O) x(b) ΔT b = K b m ΔT f = K f m m molalitet (mol kg -1 ) B rastvorena supstanca Dva nova Raulova zakona!!!
Važna digresija najčešći načini izražavanja sastava rastvora m(b) m(b) maseni udeo: w = = [1] m(smeše) m(rastvora) m(b) ili u procentima: w = 100 m (rastvora) (količinska) koncentracija molaritet: n(b) m(b) c = = V (rastvora) M (B) V (rastvora) oznake: c B c(b) [B] [mas.%] [mol m -3, mol dm -3, M] molalitet: m = n(b) m(h O) = m(b) M (B) (H 2 m 2 O) [mol kg -1 ]
K f molalno sniženje temperature (tačke) mržnjenja, krioskopska konstanta K b molalno povišenje temperature (tačke) ključanja, ebulioskopska konstanta K f K b [K kg mol -1 ] H 2 O 1,86 0,53 benzol 5,1 2,57 kamfor 40,0 6,09 Značaj sniženja temperature mržnjenja: - posipanje ulica solima (NaCl, CaCl 2 ) protiv poledice, - dodatak antifriza (etilen-glikol) u hladnjake automobila, - priprema ledenih kupatila (smeša NaCl i leda, -20 o C), - određivanje molarne mase (metode: krioskopija i ebulioskopija). m(b) m(b) ΔTf = Kf M (B) = Kf M (B) m(h O) ΔT m(h O) 2 f 2
Izračunati molarnu masu nepoznate organske supstance, ako rastvor 1,50 g supstance u 75,0 g cikloheksana mrzne na 2,70 o C. Priručnik: t f (cikloheksan) = 6,2 o C, K f (cikloheksan) = 20,2 K kg mol 1 t f = t fo t f = 6,2 2,70 = 3,50 o C T f = 3,50 K T f = K f m m = ΔT K f f 3,50 K = 20,2 K kg mol n(x) m(x) m = = m(cikloheksan) M (X) m(cikloheksan) m(x) M (X) = = m m(cikloheksan) 1,50 g 0,1733 mol kg 75,0 10 1 = 0,1733 mol kg 1 1 = 116 g mol 1 3 kg
Izračunati temperaturu mržnjenja rastvora antifriza koji sadrži 50,0 cm 3 etilen-glikola (C 2 H 6 O 2 ) gustine 1,12 g cm 3 i 50,0 g vode. T f = K f m m = m(c2h6o2) M (C H O ) m(h 2 6 2 2 O) = 62,07 56,00 g g mol 50,0 10 1 18,04 mol kg 1 3 kg = m(c 2 H 6 O 2 ) = ρv = 1,12 g cm 3 50,0 cm 3 = 56,00 g T f = K f m= 1,86 K kg mol 1 18,04 mol kg 1 = 33,56 K t f = 0 33,56 o C = 33,6 o C
DIFUZIJA, OSMOZA I REVERZNA OSMOZA gasovi rastvori, tečnosti Δ mix H =? Δ mix S > 0 Δ mix G < 0 Kada se dva rastvora različitih koncentracija dovedu u neposredan kontakt i bez mešanja doći će do izjednačavanja koncentracija u celokupnom rastvoru. Difuzija - molekuli rastvarača difunduju iz razblaženijeg u koncentrovaniji rastvor, a čestice rastvorene supstance iz koncentrovanijeg u razblaženiji rastvor, dok se ne uspostavi ravnoteža. Osmoza je specijalan tip difuzije kada se dva rastvora ili rastvor i rastvarač odvoje polupropustljivom membranom.
poslednji (četvrti) Raulov zakon (poznatiji kao Ostvaldov zakon): n Π = V ΠV = nrt RT = pv = nrt crt Δh p a p a Stanje u razblaženom rastvoru poredivo je sa stanjem kod idealnog gasa! c 1 >c 2 c 1 c 2 Δp = ρ g Δh = Π - usmereno kretanje molekula rastvarača iz razblaženijeg u koncentrovaniji rastvor sve dok se sila difuzije ne izjednači sa pritiskom vodenog stuba. Značaj osmoze za život: - ćelijske opne su polupropustljive membrane, - ishrana biljaka (plus kapilarne pojave).
IZOTONIČNI RASTVORI rastvori koji imaju jednake osmotske pritiske fiziološki rastvor: 0,95 % rastvor NaCl - unošenjem rastvora u krvotok može doći do uništavanja krvnih zrnaca (krvnih ćelija) usled smežuravanja ili bubrenja zbog osmoze. Dijaliza je takođe vrsta osmoze! Reverzna osmoza - difuzija molekula rastvarača iz koncentrovanijeg u razblaženiji rastvor kroz polupropustljivu membranu - nije spontan proces, već je potrebno primeniti pritisak veći od osmotskog Primena reverzne osmoze za: - dobijanje ultračiste i pitke vode (druga mogućnost za pitku vodu je destilacija) - desalinaciju morske vode - omekšavanje tvrde vode -prečišćavanje otpadnih voda
POVIŠENJE TEMPERATURE KLJUČANJA SNIŽENJE NAPONA PARE RASTVARAČA SNIŽENJE TEMPERATURE MRŽNJENJA
RASTVORI ELEKTROLITA
RASTVORI ELEKTROLITA Najjednostavnija definicija: elektroliti su supstance čiji vodeni rastvori provode električnu struju. - rastvori soli i kompleksnih soli: H 2 O A + B - (s) A + (aq) + B - (aq) Elektrolitička disocijacija - rastvori nekih (jako) kovalentnih polarnih jedinjenja: H 2 O A B(s, l, g) A + (aq) + B - (aq) Elektrolitička jonizacija Jedan od načina da se opiše jačina elektrolita jeste stepen jonizacije (disocijacije), α (jači elektroliti bolje provode elektricitet). Stepen jonizacije (disocijacije) daje odnos između broja molekula (formulskih jedinica) koji su se raspali na jone i ukupnog broja molekula (formulskih jedinica) prisutnih u rastvoru.
0 < α < 1 (0 % < α < 100 %) do 30 % - slab elektrolit, od 30 do 100 % - jak elektrolit U razblaženim vodenim rastvorima elektrolita dolazi do odstupanja od Raulovih zakona, ali se ono dešava na sistematski način. ΔT f izračunata vrednost ΔT f eksperimentalna vrednost (uvek veća!) ΔT f /ΔT f = i, gde je i - Vant Hofov broj ΔT b = ik b m ΔT f = i K f m Raulovi zakoni za rastvore elektrolita Π = ic R T i = 1 + (ν -1) α ν - ukupan broj jona koje daje jedan molekul ili formulska jedinica elektrolita u rastvoru Poenta (vraćamo se na početak): koligativne osobine razblaženih rastvora zavise samo od broja, a ne i od vrste rastvorenih čestica!
NaCl(s) Na + (aq) + Cl - (aq) ν = 1+1 = 2 BaCl 2 (s) Ba 2+ (aq) + 2Cl - (aq) ν = 1+2 = 3 Kod elektrolita na osnovu Raulovih zakona može da se odredi stepen disocijacije (jonizacije): ΔT f = i K f m i =... α =... Na osnovu jednačine disocijacije elektrolita i poznate vrednosti α može da se odredi koncentracija jona u rastvoru: c(ba 2+ ) = [Ba 2+ ] = ν(ba 2+ ) c α = c α ν(ba 2+ ) = 1 c(cl - ) = [Cl - ] = ν(cl - ) c α =2 c α ν(cl - ) = 2 JAKI ELEKTROLITI: - sva jedinjenja sa jonskom vezom ako su rastvorna u vodi soli i kompleksne soli, baze alkalnih i zemnoalkalnih metala, - jake kiseline HCl, HBr, HI, HClO 4, H 2 SO 4, HNO 3...
SLABI ELEKTROLITI: - sva jedinjenja koja nisu rastvorna u vodi, - slabe baze (NH 3 ), - slabe kiseline (CH 3 COOH, HClO, HClO 2, HNO 2, H 2 S, H 2 SO 3 ), - sama voda(!). Ako se u vodenom rastvoru mnoge supstance nalaze u obliku jona, onda o tome moramo voditi računa pri odigravanju reakcija i pisanju odgovarajućih jednačina! JEDNAČINE U JONSKOM OBLIKU OD DANAS OBAVEZNE! 2 NaCl + K 2 SO 4 2 KCl + Na 2 SO 4 2Na + + 2Cl - + 2K + + SO 2-4 2K + + 2Cl - + 2Na + + SO 2-4 0 0 NEMA REAKCIJE!!! naziv: REAKCIJE JONSKE IZMENE
Primer gde ima reakcije: AgNO 3 + NaCl AgCl(s) + NaNO 3 Ag + + NO 3- + Na + + Cl - AgCl(s) + Na + + NO 3 - Ag + (aq) + Cl - (aq) AgCl(s) Reakcija u jonskom obliku pokazuje suštinu reakcije, u ovom slučaju: kada se srebro-joni i hlorid-joni iz bilo kog izvora nađu jedni pored drugih mora doći do taloženja AgCl. Šta pišemo jonizovano? Jake elektrolite prema datoj tabeli. Kada se odigrava reakcija između jona? Vučna sila je nastanak slabi(ji)h elektrolita ili veći broj jona manji broj jona u rastvoru Proizvod može biti: SLAB ELEKTROLIT ili TALOG ili GAS Još par primera... PROIZVOD NAPUŠTA SISTEM (RASTVOR)
Nastaje gas: 2HNO 3 + Na 2 S H 2 S(g) + 2NaNO 3 2H + + 2NO 3- + 2Na + + S 2- H 2 S(g) + 2Na + + 2NO 3-2H + (aq) + S 2- (aq) H 2 S(g) Nastaje slab elektrolit (koji ostaje u rastvoru): -jače kiseline (baze) istiskuju slabije kiseline (baze) iz njihovih soli HCl + NaCH 3 COO CH 3 COOH + NaCl H + + Cl - + Na + + CH 3 COO - CH 3 COOH + Na + + Cl - H + (aq) + CH 3 COO - (aq) CH 3 COOH(aq) - neutralizacija, reakcija između kiseline i baze HCl + NaOH NaCl + H 2 O H + + Cl - + Na + + OH - Na + + Cl - + H 2 O H + (aq) + OH - (aq) H 2 O(l)
STVARNI I PRIVIDNI STEPEN DISOCIJACIJE Jonska jedinjenja moraju u rastvoru biti potpuno disosovana, što znači da bi α morao imati vrednost 100 % - stvarni stepen disocijacije. Eksperimentalno određena vrednost α uvek je manja od 100 % - nešto nam se priviđa - prividni stepen disocijacije. c 1 < c 2 jonski par α = 100 % α = 50 % - sa porastom koncentracije, zbog stvaranja jonskih parova, α opada.
Problem važenja različitih zakona u koncentrovanim rastvorima pokušava da se reši uvođenjem nove veličine... AKTIVNOST (AKTIVITET) a = γ c/c θ aktivnost koeficijent aktivnosti koncentracija c θ = 1 mol/dm 3 - a zamenjuje c pri visokim vrednostima koncentracija! c > 0,01 mol/dm 3, γ < 1, sledi: a < c c 0, γ 1, sledi: a c problem: γ = f(c) a θ (čista supstanca) = 1; standardni pritisak: p θ = 101 325 Pa