chemia ogÓlna
DESCRIPTION
CHEMIA OGÓLNA. Wykład 5. CHEMIA ROZTWORÓW. Roztwór – homogeniczna mieszanina składająca się z jednej lub więcej substancji rozpuszczonych w rozpuszczalniku. Rodzaje roztworów. substancja rozpuszczona. gaz. ciecz. ciało stałe. gaz. powietrze O 2 i inne gazy w N 2. wilgoć - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
CHEMIA OGÓLNA
Wykład 5
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
2
CHEMIA ROZTWORÓWRoztwór – homogeniczna mieszanina składająca się z
jednej lub więcej substancji rozpuszczonych w
rozpuszczalniku.
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
3
Rodzaje roztworów
substancja rozpuszczona
stopy metaliwilgoć
w drewniewodór
w platynieciało stałe
słodkie napojeherbata
wódkaetanol w wodzie
napoje gazowane
CO2 w wodzieciecz
dympopiół w
powietrzu
wilgoćwoda w
powietrzu
powietrze
O2 i inne gazy w
N2
gaz
ciało stałecieczgaz
rozp
uszc
zaln
ik
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
4
STĘŻENIA
Stężenia podaje skład roztworów.
Rodzaje stężeń
• procent wagowy, stężenie procentowe,
• procent objętościowy,
• ułamek molowy,
• stężenie molowe,
• stężenie normalne .
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
5
Procent wagowy (stężenie procentowe) – podaje
ilość jednostek wagowych (np. gramów) substancji
rozpuszczonej w 100 jednostkach (gramach)
wagowych roztworu.
%%100mm
m%100
mm
C%srozp
s
rur
spw
%w – procent wagowy, lub Cp – stężenie procentowe,
ms – masa substancji rozpuszczonej,
mr–ru – masa roztworu,
mrozp – masa rozpuszczalnika.
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
6
Przykład:
Obliczyć stężenie procentowe roztworu przygotowanego
przez rozpuszczenie 25g NaCl w 150g wody.
Dane:
ms=25g,
mrozp=150g.
Rozwiązanie:
%28,14%100g175
g25%100
g150g25
g25%w
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
7
Procent objętościowy – podaje ilość jednostek
objętości substancji rozpuszczonej w 100 jednostkach
objętości roztworu.
%%100vv
v%100
vv
%srozp
s
rur
sv
%v – procent objętościowy,
vs – objętość substancji rozpuszczonej,
vr–ru – objętość roztworu,
vrozp – objętość rozpuszczalnika.
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
8
Jaki jest procent objętościowy roztworu, jeżeli 40cm3
etanolu rozpuszczono w 60cm3 wody?
Dane:
vs= 40cm3,
vrozp = 60cm3.
Rozwiązanie:
%40%100cm100
cm40%100
cm60cm40
cm40%
3
3
33
3
v
Przykład:
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
9
Ułamek molowy – podaje stosunek ilości moli
jednego ze składników do sumy ilości moli wszystkich
składników w roztworze.
i21
s
ii
ss n...nn
nn
nx
xs – ułamek molowy,
ns – ilość moli składnika,
n1,2,..,i – ilość moli składnika „i”,
1xi
i
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
10
Rozwiązanie:
Ile wynosi ułamek molowy NaCl jeżeli 10g tej soli
rozpuszczono w 150g wody?
Dane:
mNaCl= 10g,
mH2O = 150g.
i
ii M
mn
molg
45.58molg
45.35molg
23MNaCl
mol17.0
molg
45.58
g10nNaCl
Przykład:
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
11
molg
18molg
16molg
12M OH2
mol33.8
molg
18
g150n OH2
02.0mol17.0mol33.8
mol17.0xNaCl
NaClOH x1x2
98.002.01x OH2
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
12
Stężenie molowe – podaje ilość moli substancji
rozpuszczonej w 1dm3 roztworu.
3
s
sM
dm
mol
vM
m
v
nC
CM – stężenie molowe,
n –ilość moli substancji rozpuszczonej,
v – objętość roztworu,
ms – masa substancji rozpuszczonej,
Ms –masa molowa substancji rozpuszczonej.
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
13
Rozwiązanie:
Ile gramów CaCl2 należy odważyć, aby przygotować
2dm3 3.5 molowego roztworu?
Dane:
CM= 3.5mol/dm3,
vr–ru = 2dm3
vMnv
nCM
mol7dm2dm
mol5.3n 3
3
Przykład:
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
14
ClCaCaCl M2MM2
molg
98.110molg
45.352molg
08.40M2CaCl
xmol7
g98.110CaClmol1 2
g779g86.778g98.1107x
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
15
Stężenie normalne – podaje ilość gramo–
równoważników substancji rozpuszczonej w 1dm3
roztworu.
3
s
ssN
dm
wal
vG
m
v
gC
CN – stężenie normalne,
gs –ilośc gramorównoważników substancji,
v – objętość roztworu,
ms – masa substancji,
Gs – gramorównoważnik.
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
16
Gramorównoważnik – ilość gramów substancji
powiązana z oddaniem lub przyjęciem jednego mola,
elektronów. Inaczej – masa molowa podzielona przez
ogólną wartościowość dodatnią lub ujemną.
walg
2M
GSOH ss42
walg
3M
GPOH ss43
Kwasy – gramorównoważnik jest równy masie
molowej podzielonej przez ilość atomów wodoru.
Przykład:
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
17
walg
2M
G)OH(Ca ss2
walg
3M
G)OH(Al ss3
Wodorotlenki – gramorównoważnik jest równy masie
molowej podzielonej przez ilość grup wodorotlenowych.
Przykład:
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
18
walg
12M
GSOK ss4
I2
walg
32M
G)SO(Al ss34
III2
walg
11M
GClNa ss
I
Sole – gramorównoważnik jest równy masie molowej
podzielonej przez ilość atomów metalu pomnożoną przez
jego wartościowość.
Przykład:
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
19
Rozwiązanie:
Ile gramów Ca(HCO3)2 znajduje się w 0.5dm3 roztworu
2–normalnego?
Dane:
CN= 2wal/dm3,
vrozp. = 0.5dm3
vGNmvG
mC ss
s
sN
walg
21
MG 2)3HCO(Ca
23II )HCO(Ca
Przykład:
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
20
)M3MM(2MM oCHCa)HCO(Ca 23
)molg
163molg
01.12molg
1(2molg
08.40M23)HCO(Ca
molg
1.162M23)HCO(Ca
walg
05.812
1.162G
23)HCO(Ca
g26.20dm5.0walg
05.81dm
wal5.0m 3
3s
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
21
ROZPUSZCZNIE
Roztwory powstają przez rozpuszczanie substancji w
rozpuszczalniku w wyniku:
• reacji chemicznych,
• solwatacji,
• dyspersji.
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
22
Rozpuszczanie w wyniku reakcji
Rozpuszczająca się substancja reaguje z cząsteczkami
rozpuszczalnika lub innej, wcześniej rozpuszczonej
substancji, tworząc nowy związek chemiczny.
22 HZnClHCl2Zn
3222 COHOHCO
43252 POH2OH3OP
Przykład:
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
23
Rozpuszczanie w wyniku solwatacji
Solwatacja (hydratacja) – polega na otaczaniu
cząsteczek rozpuszczającej się substancji przez
cząsteczki rozpuszczalnika (wody).
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
24Rozpuszczanie soli kuchennej w wodzie
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
25
Rozpuszczanie w wyniku dyspersji
Dyspersja – mieszanie się dwóch substancji w
wyniku dyfuzji i oddziaływań międzycząsteczkowych,
zachodzi głównie w gazach.
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
26
Rozpuszczalność
Rozpuszczalność – ilość substancji rozpuszczonej w
określonym rozpuszczalniku w określonych warunkach
temperatury i ciśnienia.
Roztwór w stanie równowagi z osadem (taki, w którym
nie można rozpuścić więcej substancji) nazywamy
nasyconym.
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
27
Maksymalną rozpuszczalność często wyraża się
jako maksymalne stężenie (stężenie roztworu
nasyconego) i wyraża się w gramach na 100 g
rozpuszczalnika.
g100
g
m
ms
rozp
ss
ss – rozpuszczalność,
ms – masa substancji,
mrozp – masa rozpuszczalnika.
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
28
Wpływ temperaturyWpływ temperatury zależny jest od efektu
cieplnego procesu rozpuszczania:
H<0 T - s, H>0 T - s.
Wpływ temperatury na rozpuszczalność niektórych soli.
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
29
Wpływ ciśnieniaWpływ ciśnienia na stężenie gazu rozpuszczonego
Prawo Henry’ego:
W stałej temperaturze ilość rozpuszczonego gazu
jest proporcjonalna do ciśnienia cząstkowego gazu w
równowadze z cieczą.
ii xkp
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
30Wpływ ciśnienia cząstkowego na rozpuszczalność gazów w wodzie
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
31
Fizykochemiczne właściwości roztworów
roztwory
doskonałe rzeczywiste
siły międzycząsteczkowe A-B = A-A i B-B
siły międzycząsteczkowe A-B > A-A i B-B
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
32
Prawo Raoulta – ciśnienie par
prawo Raoulta – podaje, że ciśnienie cząstkowe par
składnika nad roztworem jest proporcjonalne do
ciśnienia, jakie wykazywałby czysty składnik oraz jego
ułamka molowego.
i0ii xpp
pi – ciśnienie pary składnika „i”,
p0i – ciśnienie par nad czystym składnikiem „i”,
xi – ułamek molowy składnika „i”,
p – ciśnienie całkowite nad roztworem.
i
i0i xpp
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
33
Zależność ciśnienia par składników nad roztworem
od składu roztworu idealnego.
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
34
Temperatura wrzenia i krzepnięcia
roztworu
Wzrost stężenia roztworu powoduje podniesienie
temperatury wrzenia i obniżenie temperatury krzepnięcia
sols
sEmEb mM
mKCKT
sols
scmcs mM
mKCKT
KE – stała ebulioskopowa,
Cm – stężenie molarne,
KC – stała krioskopowa.
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
35
Dyfuzja
Proces dyfuzji – proces polegający na
przemieszczaniu się substancji z obszaru o wyższym
stężeniu do obszaru o niższym stężeniu.
Dyfuzja barwnika w wodzie
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
36
CADv
v – prędkość dyfuzji,
A – powierzchnia,
D – współczynnik dyfuzji,
C – gradient stężenia.
RTE
0
a
eDD
D0 – maksymalny współczynnik dyfuzji (dla nieskończonej T),
Ea – energia aktywacji,
T – temperatura,
R – stała gazowa.
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
37
Osmoza
Osmoza - dyfuzja cząsteczek rozpuszczalnika przez
membranę półprzepuszczalną, oddzielającą dwa
roztwory różniące się potencjałami chemicznymi.
Różnica potencjałów chemicznych wynika z różnicy
składu (stężenia) roztworów.
Błona półprzepuszczalna musi być przepuszczalna dla
rozpuszczalnika, a nieprzepuszczalna dla substancji
rozpuszczonej. Proces ten powoduje gradient ciśnienia
po obu stronach membrany.
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
38
RTC
– ciśnienie osmotyczne,
C – gradient stężenia.
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
39
Dysocjacja
Dysocjacja – rozpad cząsteczek na jony pod
wpływem rozpuszczalnika.
Dysocjujące cząsteczki nazywamy elektrolitami.
Mają one zdolność przewodzenia prądu.
mnmn nBmABA nm
ClHHCl 2
43
342 SO3Al2)SO(Al
Przykład:
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
40
Stopień dysocjacji – zdolność substancji do
dysocjacji – stosunek ilości cząsteczek dysocjujących
do ogólnej ilości cząsteczek w roztworze.
0
zd
n
n
nzd – ilość cząsteczek zdysocjowanych,
n0 – całkowita ilość cząsteczek w roztworze.a 1 – mocne elektrolity,
a < 0.1– słabe elektrolity,
0.1< < 1 – elektrolity średniej mocy.
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
41
Stała dysocjacji – stała równowagi reakcji dysocjacji.
mnmn nBmABA nm
nmBA
nB
mA
d c
ccK
– stężenia jonów,
nmBAc – stężenie cząsteczek niezdysocjowanych.
mn BAc,c
Kd – stała dysocjacji,
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
42
Prawo rozcieńczeń Ostwalda
Prawo rozcieńczeń Wilhelma Ostwalda podaje
zależność stałej dysocjacji od stopnia dysocjacji i
stężenia. prawo to stosuje się wyłącznie do
elektrolitów słabych (<0,1).
1c
K2
d
Kd – stała dysocjacji,
c – stężenie elektrolitu,
– stopień dysocjacji.
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
43
Aktywność
Aktywność – inaczej stężenie rzeczywiste podaje ilość
cząsteczek w roztworze i oddziaływania pomiędzy nimi.
iii cfa
ai – aktywność składnika „i”,
fi – współczynnik aktywności składnika „i”,
ci – stężenie składnika „i”.
Dla roztworów rozcieńczonych fi 1, więc ai = ci.
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
44
Iloczyn rozpuszczalności
Dla trudnorozpuszalnych soli mianownik w
wyrażeniu na stałą dysocjacji można przyjąć za
wartość stałą.
,c
ccK
nmBA
nB
mA
d
.constcnmBA
nmBAd cKL
L – iloczyn rozpuszczalności.
nB
mA
ccL
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
45
Iloczyn rozpuszczalności – iloczyn stężeń jonów
trudno rozpuszczalnej soli w jej roztworze nasyconym w
określonych warunkach. (T,P).
24
24 SOCaCaSO
24
24 SOCaCaSO ccL
I2PbPbI 22
2IPbPbI ccL 2
2
Przykład:
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
46
Teorie kwasów i zasad
Teoria Arrheniusa
Kwasy – substancje dysocjujące z wydzieleniem
jonu hydroniowego H3O+ (jon H+ w rzeczywistości
istnieje zawsze w towarzystwie cząsteczki wody).
Zasady – substancje dysocjujące z wydzieleniem
jonu wodorotlenowego OH-.
n32n ROnHOnHRHKwas
nOHMe)OH(Me nnZasada
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
47
Kwas – donor protonu (H+).
Zasada – akceptor protonu (H+).
Istnieją pary kwasowo–zasadowe
Teoria Brønsteada i Lowry’ego
Hzasadakwas
HOHOH2 HOHOH 23
HNHNH 34
Przykład:
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
48
Teoria Lewisa
Kwas – akceptor pary elektronowej ,
Zasada – donor pary elektronowej.
produktzasadakwas
3333 NHBFNHBF
43 AlClClAlCl
Przykład:
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
49
Miara kwasowości – pH
HOHOH2
Woda dysocjuje w bardzo niewielkim stopniu:
14OHHOH 10ccL
2
H
clogpH
0< pH < 14 – pH skala
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
50
substancja pH
kwas z akumulatorakwas żołądkowynapój typu cola
ocetsok pomarańczowy
piwokwaśny deszcz
kawaherbata
zdrowa skóra człowiekamleko
czysta wodakrew
woda morskamydło stałe
depilator w kremiewybielacz
0.51.5 – 2.0
2.52.9 3.54.5
<5.05.05.55.56.57.0
7.34 – 7.458.0
9.0 – 10.0 11.012.5
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
51
Pomiar pH przeprowadza się za pomocą:
• wskaźników – związków, najczęściej organicznych,
które zmieniają zabarwienie ze zmianą pH (lakmus,
BBT, fenoloftaleina, oranż metylowy, itp.)
• papierki wskaźnikowe – bibuła nasączona kilkoma
wskaźnikami, zmieniająca barwę w zależności od
pH,
Skala pH dla papierków wskaźnikowych
• pH – metru z elektrodą szklaną.
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
52
Zasada działąnia pH–metru
2He2H2
H
0H/HH/H
clnF2
RTEE
HH/H
clogF2
RT303.2E
pH059.0EH/H
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
53
Hydroliza
Hydroliza – reakcja jonów soli z wodą.
Sole mocnych kwasów i mocnych zasad
nie ulegają hydrolizie.
Przykład:
ClHOHNaOHClNa 2
HOHOH2dysocjacja wody
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
54
nHROHMeOnHRMe mn2
mn
Sale mocnych kwasów i słabych zasad:
Przykład:
2442
244 SOH2OHNH2OH2SONH2
odczyn po hydrolizie kwaśny
pH < 7
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
55
Sole słabych kwasów i mocnych zasad:
RHmOHMeOmHRMe mn
2mn
Przykład:
32223 COHOH2K2OH2COK2
odczyn po hydrolizie zasadowy
pH > 7
AGH WIMiR, wykład z chemii ogólnej
56
RHOHMeOxHRMe mn2mn
Sole słabych kwasów i słabych zasad:
Przykład:
SH)OH(FeOH2SFe 22222
odczyn po hydrolizie obojętny
pH 7