Większość substancji, z którymi mamy do czynienia, to mieszaniny, czyli układy zawierające dwa lub większą ilość składników. Jeżeli cząstki jakiejś substancji zostają równomiernie rozprowadzone w innej substancji, powstaje tzw. układ dyspersyjny. Zbiór cząstek substancji rozproszonej nosi nazwę fazy rozproszonej, a substancja, w której te cząstki są rozproszone, - fazy dyspersyjnej (rozpraszającej). Tylko w nielicznych przypadkach, oglądając daną substancję, możemy stwierdzić, że jest ona na pewno mieszaniną. Ma to miejsce w przypadku mieszaniny niejednorodnej (heterogenicznej), której składniki zachowują indywidualne cechy makroskopowe. Przykładami takich mieszanin są: dymy, mgła, woda + benzyna, woda + olej. W układach tych można wyróżnić więcej niż jedną fazę np. ciało stałe i gaz (dym), ciecz i gaz (mgła). Mieszaniny niejednorodne stosunkowo łatwo daje się rozdzielić na składniki prostymi metodami fizycznymi, takimi jak:
- Sączenie przez bibułę lub inny materiał porowaty
- Segregacja mechaniczna
- Wirowanie
- Dekantacja
Znacznie częściej niż z mieszaninami niejednorodnymi mamy do czynienia z mieszaniną, której składniki są nierozróżnialne nawet przy dużym powiększeniu.. Każda jej próbka, niezależnie od tego skąd została pobrana ma ten sam skład i wykazuje te same makroskopowe właściwości fizyczne. Są to tzw. roztwory właściwe. Proces mieszania substancji prowadzący do otrzymania mieszaniny jednorodnej nazywa się rozpuszczaniem. Roztwory te, podobnie jak związki chemiczne, są jednorodne makroskopowo, ale w przeciwieństwie do związku, którego cząsteczki są identyczne, roztwór jest niejednolity molekularnie, tzn. zawiera co najmniej dwa rodzaje wymieszanych chaotycznie cząstek nie związanych żadnym trwałym wiązaniem. Przykładem roztworu właściwego jest powietrze, woda mineralna (o ile nie wydzielają się z niej pęcherzyki gazu), woda z cukrem.
Roztwory, w których składniki znajdują się w postaci drobin o wymiarach poniżej 1 nm nazywamy roztworami właściwymi.
Roztwory, które zawierają drobiny o wymiarach od 1nm do 200 nm nazywamy koloidami.
Roztwory, w których drobiny fazy rozpraszanej mają wymiary powyżej 200 nm nazywamy zawiesinami. |
Koloidy podczas sączenia zachowują się jak roztwory właściwe, tzn. ich cząsteczki przechodzą przez pory bibuły filtracyjnej. Nie przechodzą natomiast przez tzw. błony półprzepuszczalne (np. błony komórkowe). Koloidy mogą występować we wszystkich stanach skupienia. Ilustruje to tabela:
Faza
rozpraszająca |
Faza rozpraszana |
| Gaz |
Ciecz |
Ciało stałe |
| Gaz |
---------------- |
Aerozol
np. mgła |
Aerozol
np. dym |
| Ciecz |
Piana
np. mydlana, z białka jaja |
Emulsja
np. mleko, majonez |
Zol
np. krochmal, klej |
| Ciało stałe |
Stała piana
np. pumeks, gąbka |
Stała emulsja
np. opal |
Stały zol
np. szkło rubinowe |
Ogólnie koloidy można podzielić na cząsteczkowe i fazowe. Pierwsze z nich zawierają związki chemiczne, których cząsteczki składają się z setek tysięcy atomów, czyli tzw. makrocząsteczki (skrobia, białko, tworzywa sztuczne). Koloidy drugiej grupy powstają w wyniku łączenia się w większe zespoły jonów lub cząsteczek substancji rozpuszczonej. W skład takich zespołów nazywanych micelami wchodzą również cząsteczki rozpuszczalnika.
Jedną z głównych cech zoli jest zdolność do koagulacji. Jest to proces łączenia się cząsteczek zolu w większe zespoły, tworzące nieregularną sieć z licznymi porami i przestrzeniami pustymi. Produkt tego procesu nazywany jest koagulatem. W niektórych przypadkach można dokonać przemiany odwrotnej - peptyzacji koagulatu.
Koagulacja zachodzi pod wpływem różnych czynników takich jak: odparowywanie rozpuszczalnika, ochładzanie roztworu, dodatek związków jonowych.
Inną charakterystyczną cechą, różniącą koloidy od roztworów właściwych, jest specyficzne zjawisko fizyczne - efekt Tyndalla. Wiązka światła skierowana na zawiesinę ulega odbiciu i rozproszeniu, w roztworze właściwym nie widać drogi promienia świetlnego, natomiast w roztworach koloidalnych światło ulega ugięciu na cząsteczkach i droga promienia świetlnego jest doskonale widoczna. Obserwując pyłki kurzu, widoczne w smudze padającego światła, jesteśmy świadkami efektu Tyndalla w układzie gaz (powietrze) - ciało stałe (kurz).
Bezładne, zygzakowate ruchy cząstek, zapobiegające ich opadaniu pod wpływem pola grawitacyjnego, są spowodowane zderzeniami z cząsteczkami fazy rozpraszającej. Ruchy te, od nazwiska ich odkrywcy - angielskiego botanika, nazwano ruchami Browna. Jest to dowód na kinetyczno - molekularną budowę materii.
Układ, w którym obie fazy: rozpraszająca i rozpraszana są cieczami wzajemnie niemieszającymi się (emulsje), są bardzo rozpowszechnione w przyrodzie. Emulsją jest mleko, masło ,margaryna, majonez, farmaceutyki, farby, a także mleczka i kremy kosmetyczne. Zwykle jedną z cieczy wchodzących w skład emulsji jest woda. Z tego względu dzielimy emulsje na:
- W/O czyli woda rozproszona w oleju
- O/W czyli olej rozproszony w wodzie
Aby emulsja była trwała tzn. nie ulegała rozwarstwieniu dodaje się do niej tzw. emulgatory. Są to substancje zapobiegające łączeniu się cząsteczek fazy rozproszonej w większe zespoły.
ROZPUSZCZALNOŚĆ
Roztwory właściwe nazywa się zwykle w skrócie roztworami. Tylko niektóre substancje łączą się ze sobą w każdym stosunku. Na ogół rozpuszczalność substancji w określonym rozpuszczalniku jest ograniczona. W danej temperaturze istnieje stan równowagi dynamicznej pomiędzy roztworem a nadmiarem substancji rozpuszczonej w jednostce czasu tyle samo molekuł przechodzi z kryształu do roztworu co wbudowuje się w sieć krystaliczną. Roztwór ten nazywamy roztworem nasyconym. Dla każdej temperatury istnieje inny stan równowagi pomiędzy stężeniem substancji w roztworze, a jej nadmiarem w postaci osadu.
| Maksymalną liczbę gramów substancji, jaką w danych warunkach ciśnienia i temperatury można rozpuścić w 100 g rozpuszczalnika tworząc roztwór nasycony nazywamy rozpuszczalnością. |
Rozpuszczalność jest jedną z charakterystycznych właściwości substancji. Zależy ona od takich czynników jak temperatura, ciśnienie i rodzaj rozpuszczalnika. Rozpuszczalność większości substancji stałych w wodzie rośnie wraz ze wzrostem temperatury, natomiast rozpuszczalność gazów w wodzie maleje ze wzrostem temperatury i rośnie ze wzrostem ciśnienia.
Ze względu na stężenie substancji rozpuszczonej możemy wyróżnić trzy typy roztworów:
ROZTWÓR NASYCONY - który w danej temperaturze osiągnął stężenie substancji rozpuszczonej równe jej rozpuszczalności.
ROZTWÓR NIENASYCONY - roztwór, w którym w danej temperaturze stężenie substancji rozpuszczonej jest mniejsze niż to wynika z jej rozpuszczalności.
ROZTWÓR PRZESYCONY - roztwór, który w danej temperaturze osiągnął stężenie substancji rozpuszczonej większe od jej rozpuszczalności. |
- Rozpuszczalność różnych substancji w wodzie zwykle przedstawia się w postaci wykresu przedstawiającego zależność wartości rozpuszczalności od temperatury.
- Sól nazywamy rozpuszczalną jeżeli rozpuszcza się w ilości większej niż 1g na 100 g wody. Sól trudno rozpuszczalna, to taka sól, która rozpuszcza się w granicach 0,1 - 1 g na 100 g wody. Jeżeli rozpuszczalność soli wynosi mniej niż 0,1 g / 100 g wody sól nazywamy nierozpuszczalną. Ogólnie:
- Wszystkie azotany są rozpuszczalne
- Chlorki, bromki i jodki są również rozpuszczalne - z wyjątkiem soli srebra, ołowiu i rtęci.
- Siarczany są rozpuszczalne z wyjątkiem soli ołowiu, baru i strontu. Siarczan wapnia (gips) jest trudno rozpuszczalny.
- Większość soli sodowych, potasowych i amonowych dobrze rozpuszcza się w wodzie.
STĘŻENIA
Do podstawowych sposobów wyrażania stężeń roztworów należą stężenia procentowe i molowe.
| Stężenie procentowe określa liczbę gramów substancji, która jest zawarta w 100 gramach roztworu. |
Np. Ocet 6%, zawiera w 100 g roztworu 6 g kwasu octowego (czyli składa się z 6g kwasu i 94g wody).
Wzór na obliczanie stężenia procentowego:
Cp = msub / mr-ru × 100%
Cp - stężenie procentowe
m
sub - masa substancji rozpuszczonej
m
r-ru - masa roztworu
Zwykle przy sporządzaniu roztworów substancje ciekłe odmierza się zamiast odważać. Aby przeliczyć masę na objętość niezbędna jest znajomość gęstości danej substancji.
r = msub/V
r - gęstość substancji
m
sub - masa substancji rozpuszczonej
V - objętość
Często przeprowadzając reakcje między roztworami wodnymi, musimy wiedzieć ile moli substancji zawiera dany roztwór.
| Stężenie molowe określa jaka liczba moli substancji znajduje się w 1 dm3 roztworu. |
Cmol = n/V
C
mol - stężenie molowe
n- liczba moli substancji
V - objętość roztworu
Liczbę moli oblicza się ze wzoru:
n = msub/M
n- liczba moli substancji
m
sub - masa substancji rozpuszczonej
M - masa molowa substancji
