C - PROTOTO

Wszystkie materiały tworzone i przekazywane przez Wykładowców NPDN PROTOTO
są chronione prawem autorskim i przeznaczone wyłącznie do użytku prywatnego.
MATERIAŁY
Z KURSU KWALIFIKACYJNEGO
www.prototo.pl
Wiązania chemiczne
w świetle mechaniki kwantowej
dr Jakub Guzy
ELEMENTY MECHANIKI KWANTOWEJ W UJĘCIU JAKOŚCIOWYM.
Dualizm korpuskularno-falowy
Zasada nieoznaczoności Heisenberga
Orbital atomowy
Stany kwantowe
KONFIGURACJA ELEKTRONOWA ATOMÓW.
ORBITALE MOLEKULARNE
Budowa cząsteczki
Teoria orbitali molekularnych
Kryteria doboru orbitali atomowych
Typy orbitali molekularnych
Podobieństwa i różnice pomiędzy orbitalami atomowymi OA i
molekularnymi OM
Cząsteczki dwuatomowe homojądrowe.
Cząsteczki dwuatomowe heterojądrowe.
BUDOWA CZĄSTECZEK WIELOATOMOWYCH
Hybrydyzacja orbitali atomowych
Rodzaje hybrydyzacji
Teoria VSEPR
ELEMENTY MECHANIKI KWANTOWEJ W UJĘCIU JAKOŚCIOWYM
Dualizm korpuskularno-falowy
Współczesna nauka opiera opis atomu na dualizmie korpuskularno – falowym
elementarnych cząstek materii.
Według hipotezy de Broglie`a ruch elementarnych cząstek materii należy rozważać
jako ruch korpuskuł (cząstek) ujawniających cechy falowe.
Każdej cząstce można przypisać falę o długości:
Zasada nieoznaczoności Heisenberga
Nie można jednocześnie ustalić dokładnie prędkości i położenia elektronu.
Im mniejszy jest błąd określenia położenia elektronu ∆x tym większy jest błąd
określenia prędkości ∆v i odwrotnie:
v  x  const
Mechanika kwantowa nie jest w stanie określić dokładnie ani położenia
ani prędkości elektronu w atomie bądź cząsteczce.
Z tego powodu operuje się prawdopodobieństwem znalezienia elektronu
w danym obszarze.
Orbital atomowy OA
Zgodnie z teorią Schrödingera
stan elektronu w atomie opisuje funkcja falowa Y,
nazwana orbitalem,
kwadrat tej funkcji daje prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w
danym obszarze wokół jądra,
energia elektronów jest kwantowana a geometryczne kształty orbitali
wskazują na przestrzenny rozkład prawdopodobieństwa znalezienia
elektronu opisanego danym orbitalem.
Znane orbitale to orbital s, p, d i f,
każdy stan kwantowy elektronu jest opisany za pomocą czterech liczb
kwantowych, tj. główna liczba kwantowa - n, poboczna liczba kwantowa - l,
magnetyczna liczba kwantowa - m i magnetyczna spinowa liczba
kwantowa - ms
Funkcja falowa Y jest amplitudą prawdopodobieństwa w punkcie przestrzeni
określonym współrzędnymi x, y, z. W przypadku elektronu funkcja falowa Y określa
zatem prawdopodobieństwo znalezienia tej cząstki w określonym miejscu
przestrzeni wokół atomu, a także określa najbardziej prawdopodobne wartości jego
energii.
Graficzny zapis orbitalu
Obrazem graficznym orbitalu jest fragment przestrzeni, w której
prawdopodobieństwo znalezienia elektronu jest duże.
Każdy orbital ma inny kształt i orientację przestrzenną, a zajmujący go elektron
charakteryzuje się inną energia.
Orbitale zdegenerowane, to takie, które różnią się od siebie tylko położeniem
w przestrzeni ( orbitale p; orbitale d; orbitale f)
Orbital typu p
Orbital typu d
Orbital typu s
Orbitale typu s mają
kształt kuli
Orbital p jest trójkrotnie
zdegenerowany, ze
względu na
równocenność energety
czną orbitali px, py i pz.
Orbital d jest
pięciokrotnie
zdegenerowany, a f
siedmiokrotnie.
Stany kwantowe
Ruch elektronu w atomie charakteryzuje się podając:
- orbitalny moment pędu ML /ruch postępowy/
- własny moment pędu zwany spinem MS / ruch wirowy/
Momenty pędów elektronów mogą przyjmować tylko określone wartości, są
wielkościami skwantowanymi.
Składowe wektorów momentów pędu w stosunku do kierunku wyróżnionego w
przestrzeni są więc wielkościami skwantowanymi.
Na całkowitą energię elektronu w atomie składa się jego energia
kinetyczna i potencjalna. Wartości energii są wielkościami
skwantowanymi, czyli mogą przyjmować tylko określone wartości.
Wartości tych wielkości fizycznych określa się za pomocą parametrów
zwanych liczbami kwantowymi.
Wyróżnia się pięć liczb kwantowych, które odnoszą się do atomu
GŁÓWNA LICZBA
KWANTOWA
ORBITALNA LICZBA
KWANTOWA
MAGNETYCZNA
ORBITALNA
LICZBA KWANTOWA
SPINOWA LICZBA
KWANTOWA
MAGNETYCZNA
SPINOWA
LICZBA KWANTOWA
n
Jest związana z energią elektronu.
Charakteryzuje stan elektronu wynikający z
odległości od jądra.
l
Charakteryzuje stan elektronu związany z orbitalnym
momentem pędu. Jest również związana z energią
elektronu. Na podstawie jej wartości określa się
kształt przestrzenny orbitalu.
ml
Charakteryzuje składową wektora orbitalnego
momentu pędu elektronu. Określa zachowanie
elektronu w zewnętrznym polu magnetycznym
Na podstawie jej wartości określa się orientację
przestrzenną orbitalu.
s
Charakteryzuje własny moment pędu elektronu
(spin).
Może przyjmować tylko jedną wartość s=1/2
ms
Charakteryzuje składową wektora własnego
momentu pędu elektronu (spinu).
Liczba ms decyduje o możliwości łączenia się
elektronów w pary
Liczba
kwantowa
Możliwe
wartości
Liczba możliwych
wartości
Znaczenie liczby
n
główna
kolejne liczby
naturalne:
1,2,3...
nieograniczona
decyduje o wielkości orbitalu
l
poboczna
kolejne liczby
całkowite od 0
do (n-1)
włącznie
zależy od n
informuje o kształcie orbitalu
(s,p,d.f….)
m
magnetyczna
liczby
całkowite od -l
zależy od l
i wynosi (2l+1)
decyduje o orientacji
2
decyduje o orientacji
do +l (z „0”)
ms
magnetyczna
spinowa
½ lub – ½
przestrzennej orbitalu
określa liczbę orbitali w
danej podpowłoce
przestrzennej spinu
KONFIGURACJA ELEKTRONOWA ATOMÓW
Konfiguracja elektronowa to sposób opisu elektronów danego atomu
przez orbitale.
Aby poprawnie zapisać konfigurację danego atomu należy:
Opisywać elektrony na orbitalach zgodnie ze wzrostem ich energii orbitalnej
Przestrzegać reguły Hunda
Liczba niesparowanych elektronów w podpowłoce powinna być jak
największa. Niesparowane elektrony mają jednakowy spin.
Reguła Hunda dotyczy orbitali zdegenerowanych, czyli takich, które
różnią się od siebie tylko położeniem w przestrzeni ( orbitale p; orbitale d)
Przestrzegać zakazu Pauliego
Atom nie może mieć dwóch elektronów o takich samych wartościach
wszystkich czterech liczb kwantowych. Muszą się różnić przynajmniej
jedną ( najczęściej ms).
TEORIA KWANTOWA dopuszcza możliwość interpretowania struktury
cząsteczki różnymi metodami, z których każda ma charakter przybliżony a
wszystkie prowadzą do wniosków niemal takich samych, zgodnych w
większości przypadków z danymi eksperymentalnymi.
Stosunkowo najprostsza do przedstawienia jest metoda, która zakłada, że
wiązania kowalencyjne i kowalencyjne spolaryzowane powstają na skutek
nakładania się orbitali atomowych obsadzonych niesparowanymi
elektronami i należących do dwóch różnych atomów.
Nakładanie się orbitali, rozumianych jako obszary przestrzenne, prowadzi
do nowego obszaru – orbitalu molekularnego- obejmującego swym
zasięgiem oba jądra symetrycznie – wiazanie kowalencyjne- lub
niesymetrycznie – wiązanie kowalencyjne spolaryzowane
BUDOWA CZĄSTECZKI
Cząsteczka składa się z dwóch lub więcej jader oraz elektronów będących w sferze
ich oddziaływania.
Zachowanie się elektronów w cząsteczce opisuje się za pomocą funkcji
falowych Ψ zwanych orbitalami molekularnymi
( cząsteczkowymi) OM
Znajomość tych funkcji pozwala na wyznaczenie prawdopodobieństwa przebywania
elektronu w określonym obszarze cząsteczki.
Powstające pomiędzy atomami wiązania mogą być:
Zlokalizowane – wiążąca para elektronów jest wspólna wyłącznie dla dwóch jąder
atomów
Zdelokalizowane – elektrony biorące udział w wytworzeniu wiązania pozostają w
zasięgu oddziaływania kilku jąder atomowych
TEORIA ORBITALI MOLEKULARNYCH
Bada stany energetyczne, które może osiągnąć elektron wchodzący w skład
wiązania w polu wszystkich jąder atomowych cząsteczki. Teoria ta zakłada, że
podczas powstawania wiązania chemicznego chmury elektronowe orbitali
(zawierających niesparowany elektron) każdego z wiążących się atomów
przenikają się lub nakładają nawzajem i powstają w ten sposób tzw. orbitale
molekularne.
Pozwala to traktować funkcję falową elektronu w cząsteczce jako
liniową kombinację funkcji falowych opisujących orbitale atomowe.
Przy kombinacji dwu orbitali atomowych tworzą się dwa energetycznie
różne orbitale cząsteczkowe, jeden (nisko energetyczny) wiążący i
jeden (wysoko energetyczny) antywiążący.
Orbitalowi molekularnemu
wiążącemu odpowiada energia
niższa od energii elektronów
izolowanych atomów, orbitalowi
antywiążącemu energia wyższa.
Energia orbitali atomowych i molekularnych
Dla cząsteczki złożonej z dwóch atomów A i B, powstają dwa orbitale
molekularne cząsteczkowe –wiążący
  cA A  cB B
W równaniu stałe cA i cB dobrane są
tak, by energia orbitalu
cząsteczkowego osiągała minimum.
oraz orbital antywiążący
  c A  A  cB B
Różnica pomiędzy orbitalem wiążącym i antywiążącym polega na
zwiększonym prawdopodobieństwie napotkania elektronu pomiędzy
jądrami w przypadku orbitalu wiążącego, oraz w najbliższym
otoczeniu poza jądrami w przypadku orbitalu antywiążącego.
Kryteria doboru orbitali atomowych
Do wyznaczania orbitalu molekularnego nadają się wyłącznie, te orbitale atomowe,
które opisując elektrony walencyjne atomów wchodzących w skład cząsteczki,
spełniają następujące warunki:
1. Mają porównywalne energie
2. Wzajemnie się nakładają
3. Wykazują jednakową symetrię w stosunku do prostej łączącej jądra atomów.
Nie
nakładają
się
Im pełniejsze jest wzajemne przenikanie się orbitali, tym większa jest trwałość
tworzonego wiązania.
Jeżeli przejściu elektronów z orbitali atomowych na orbitale cząsteczkowe
towarzyszy wydzielanie energii, to cząsteczka oczywiście stanowi układ bardziej
trwały od atomów, co równoznaczne jest z wytworzeniem wiązania.
Typy orbitali molekularnych
Nakładanie czołowe orbitali atomowych (wzdłuż prostej łączącej
jądra) powoduje powstawanie orbitali molekularnych typu σ (sigma)
Orbitale typu σ mogą powstać z orbitali atomowych tego samego typu
(s - s; py - py;) lub różnego typu (s – p).
Orbital wiążący σ charakteryzuje się zwiększoną gęstością elektronów w
przestrzeni między jądrami. Para elektronów zajmująca ten orbital nosi nazwę
wiążącej i tworzy trwałe wiązanie. Orbital antywiążący σ* charakteryzuje się
mniejszą gęstością elektronów w przestrzeni między jądrami, co powoduje, że
jądra atomów odpychają się.
Nakładanie boczne orbitali atomowych powoduje powstawanie
orbitali molekularnych typu π (pi)
Osie symetrii orbitali są prostopadłe do prostej łączącej jądra atomów.
Orbitale typu π mogą powstawać z orbitali tego samego typu (px – px; pz –
pz) lub różnego typu (p – d).
Wiązania pojedyncze zawsze są wiązaniami sigma, natomiast
wiązania wielokrotne (podwójne, potrójne), posiadają jedno wiązanie
sigma i pozostałe wiązania typu pi. Wiązania pi są słabsze od wiązań
sigma i łatwiej ulegają rozerwaniu.
Podobieństwa i różnice pomiędzy orbitalami atomowymi OA i
molekularnymi OM
Orbital atomowy OA
Orbital cząsteczkowy OM
Opisuje zachowanie się pojedynczego elektronu
w atomie
Opisuje zachowanie się elektronu w cząsteczce
Jest jednocentrowy – opisuje zachowanie
elektronu w polu pojedynczego jądra
Jest wielocentrowy – opisuje zachowanie
elektronu poruszającego się w polu kilku jąder
Każdy OA określony jest zespołem liczb
kwantowych
Każdemu OM można przyporządkować
określone liczby kwantowe
Każdemu OA odpowiada określona energia
orbitalna elektronów
Każdemu OM odpowiada określona energia
orbitalna elektronów
Każdy elektron opisany OA ma ściśle określony
spin ( ms = -1/2 albo ms = 1/2
Każdy elektron opisany OM ma ściśle określony
spin
Obowiązują: zasada najmniejszej energii, zakaz
Pauliego, reguła Hunda
Obowiązują: zasada najmniejszej energii, zakaz
Pauliego, reguła Hunda
Każdy OA opisać może stan max 2 elektronów o
przeciwnych spinach
Każdy OM opisać może stan max 2 elektronów
o przeciwnych spinach
Cząsteczki dwuatomowe homojądrowe.
Cząsteczka wodoru
Cząsteczka H2 powstaje w wyniku utworzenia orbitalu cząsteczkowego z orbitali 1s
atomów wodoru. Przez nałożenie się dwu orbitali atomowych powstają dwa orbitale
cząsteczkowe σ i σ*. W cząsteczce wodoru obydwa elektrony obsadzają orbital o
niższej energii, a orbital σ* pozostaje nie zajęty. W czasie tworzenia wiązania
wydziela się energia (energia wiązania), a układ jest trwały ze względu na
uzyskanie uprzywilejowanego stanu energetycznego charakteryzującego się
minimum energii.
Cząsteczka azotu
U pierwiastków wieloelektronowych przenikanie orbitali głębiej położonych
nie odgrywa roli.
Cząsteczka N2 powstaje z dwóch atomów azotu, które w stanie
podstawowym maja konfigurację;
2
2
3
[7 N]  1s 2s 2p
Dziesięć elektronów walencyjnych obu atomów N po sparowaniu
rozmieszcza się w cząsteczce, w kolejności wzrastającej energii, na pięciu
najniższych energetycznie orbitalach molekularnych.
W cząsteczce azotu powstają trzy pary elektronów wiążących
wytwarzające jedno wiązanie typu σ i dwa wiązania typu π
Konfiguracja elektronowa cząsteczki N2
[N 2 ]  [1s2 ][1s2 ]( 2s)2 (σ 2s)2 ( σ2p y )2 ( π2px )2 ( π2pz )2



wiazanie σ
wiazanie π
wiazanie π
Cząsteczki dwuatomowe heterojądrowe
Budowa cząsteczki LiH
Konfiguracja atomu litu i wodoru w stanie podstawowym:
[1 H]  1s1
[3 Li]  1s2 2s1
Wartości energii jonizacji: H = 13,6 eV; Li = 5,4 eV
ponieważ energie orbitali są jeszcze porównywalne z orbitalu 2s atomu Li i orbitalu
1s atomu H można utworzyć orbital wiążący σ2s,1s i orbital antywiążący σ*2s,1s
Konfiguracja elektronowa cząsteczki:
[LiH]  [He](  2s,1s)2
Poziom energetyczny orbitalu 1s at. H znajduje się bliżej poziomu orbitalu
molekularnego wiążącego niż poziom 2s at. Li. Większy jest zatem udział orbitalu
wodoru w orbitalu molekularnym wiążącym cząsteczki, natomiast w orbitalu
molekularnym antywiążącym większy udział stanowi orbital litu.
Wynika stąd, że para elektronów wiążąca (opisywana orbitalem σ2s,1s)
przesunięta jest w kierunku atomu wodoru, nadając mu charakter bardziej
elektroujemny.
HYBRYDYZACJA ORBITALI WALENCYJNYCH CENTRALNYCH
ATOMÓW CZĄSTECZEK
Orbitale cząsteczkowe opisujące zachowanie elektronów w cząsteczkach
wieloatomowych, utworzone przez proste kombinacje liniowe orbitali atomowych,
często nie pozwalają na uzyskanie w obliczeniach zgodnych z doświadczeniem
wartości katów miedzy wiązaniami.
W przypadku cząsteczek wieloatomowych uzyskuje się wyniki bardziej zgodne z
doświadczeniem jeśli do wyliczenia funkcji cząsteczkowych nie posługuje się
prostymi orbitalami atomowymi lecz orbitalami mieszanymi – zhybrydyzowanymi.
HYBRYDYZACJA polega na tworzeniu nowych funkcji falowych dla ATOMU
CENTRALNEGO CZĄSTECZKI. Funkcje te tworzy się jako kombinacje liniowe
jego orbitali atomowych.
Uwaga
Hybrydyzacja jest zabiegiem matematycznym, a nie procesem fizycznym.
Ułatwia przedstawienie rozkładu przestrzennego.
Atom centralny znajduje się w stanie
wzbudzonym.
Wytworzone orbitale zhybrydyzowane są
równocenne energetycznie.
Orbitale zhybrydyzowane mają taki sam
kształt konturu i określone rozmieszczenie w
przestrzeni, które decyduje o kształcie
cząsteczki.
Każdy z hybrydów złożony jest z dwóch
części, rozciągających się po obu stronach
jądra:
- część dodatnia ( większe prawdopodobieństwo
napotkania elektronu)
- część ujemna wartości funkcji
Liczba powstających hybryd jest równa liczbie
orbitali biorących udział w hybrydyzacji
Typy hybrydyzacji
Typ
hybrydyzacji
Ilość orbitali
tworzących
hybrydę
Układ
przestrzenny
Kąty
Ilość orbitali
miedzy
zhybrydyzowanych
wiązania
mi
Hybrydyzacja
digonalna sp
Jeden orbital
typu s
Jeden orbital
typu p
liniowy
180o
Dwa orbitale typu sp
Hybrydyzacja
trygonalna sp2
Jeden orbital
typu s
Dwa orbitale
typu p
Orbitale
skierowane ku
wierzchołkom
trójkąta
foremnego
120o
Trzy orbitale typu sp2
Hybrydyzacja
tetraedryczna
sp3
Jeden orbital
typu s
Trzy orbitale
typu p
Cztery orbitale
ustawione są w
kierunku
wierzchołków
czworościanu
foremnego
109o28`
Cztery orbitale typu sp3
Hybrydyzacja typu sp
Hybrydyzacja sp polega na wymieszaniu się orbitalu s z jednym orbitalem p z
wytworzeniem struktury liniowej. Wszystkie wiązania wytworzone z udziałem
zhybrydyzowanych orbitali sp leżą wzdłuż jednej prostej .
Cząsteczka CH2
W cząsteczce etynu C2H2
(acetylenu), atomy węgla wytwarzają
za pomocą zhybrydyzowanych
orbitali sp wiązanie σ wiążąc dwa
atomy wodoru i tworząc wiązanie
między sobą, a niezhybrydyzowane
dwa orbitale p tworzą dwa wiązania
π.
6C
Stan podstawowy
Stan wzbudzony
1s2 2s2 2px12py12pz
1s2 2s1 2px12py12pz1
Hybrydyzacja typu sp2
Hybrydyzacja sp2 polega na wymieszaniu się orbitalu s z
dwoma orbitalami p z wytworzeniem struktury płaskiej
Wiązania wytworzone z udziałem zhybrydyzowanych
orbitali sp2 leżą na jednej płaszczyźnie, a kąt między nimi
wynosi 120° .
Cząsteczka C2H4
W cząsteczce etenu C2H4 (etylenu), atomy węgla wytwarzają za pomocą
zhybrydyzowanych orbitali sp2 wiązanie σ, wiążąc po dwa atomy wodoru i
tworząc wiązanie między sobą, a niezhybrydyzowane orbitale p tworzą
wiązanie π. Wszystkie atomy leżą na tej samej płaszczyźnie, a wiązanie π
usztywnia cząsteczkę uniemożliwiając swobodny obrót wokół wiązania C-C.
Hybrydyzacja typu sp3
Obsadzone pojedynczymi elektronami orbital s i trzy orbitale p we
wzbudzonym atomie węgla ulegają hybrydyzacji dając cztery
równocenne zhybrydyzowane orbitale typu sp3.
Odpychanie między czterema równocennymi chmurami elektronowymi
jest najmniejsze, gdy ich osie skierowane są od środka czworościanu
foremnego ku jego narożom i tworzą kąty 109o28'
Cząsteczka CH4
Tworzy cztery wiązania σ z czterema
atomami wodoru
6C
Stan podstawowy
Stan wzbudzony
1s2 2s2 2px12py12pz
1s2 2s1 2px12py12pz1
METODA VSEPR
Metoda ta zakłada, ze budowa przestrzenna cząsteczki zależy od łącznej
liczby elektronów wokół atomu centralnego, a orientacja przestrzenna
zapewnia minimum energii odpychania elektronów w atomie centralnym
H
C
H
H
CH
4
:
W przypadku np..metanu
H
CH4 cztery zhybrydyzowane
orbitale atomu węgla(sp3)
O
H
nakładają się z czterema
orbitalami typu :s atomów
wodoru. Atom
centralnypary
nie H
wolne
0
2
elektronowe
ma wolnych par
elektronowych. Kąty
pomiędzy wiązaniami
p4
2o28’
22
2s
wynoszą 1s
109
2 2
sp3
1s
H
p2
2 2s
22
1s
p3
2 2s
1s
W przypadku amoniaku NH3 ( hybrydyzacja atomu azotu sp3). Trzy
hybrydy uczestniczą w tworzeniu wiązań z atomami wodoru, natomiast
czwarta opisuje wolną parę elektronową. Kształt cząsteczki to piramida o
podstawie trójkąta. Kąty pomiędzy wiązaniami N-H wynosi106°45'
W przypadku cząsteczki wody H2O
elektrony ostatniej powłoki atomu
tlenu ulegają hybrydyzacji typu sp3.
występują dwie hybrydy z wolnymi
parami elektronowymi.
Kąty pomiędzy wiązaniami O-H
104o45’
Mieszaniny
Substancje czyste chemicznie to substancje zawierające tylko jeden rodzaj
atomów bądź cząsteczek chemicznych.
Mają ściśle określony skład i charakterystyczne właściwości fizyczne i chemiczne.
Dzieli się je na pierwiastki i związki chemiczne.
Mieszaniny (układy dyspersyjne) to układy złożone z co
najmniej dwóch składników, zwanych fazami, z których jeden jest
rozproszony w drugim.
Fazy zmieszane są ze sobą w określonej (ogólnie jednak
dowolnej) proporcji ilościowej, nie są połączone chemicznie,
zachowują swoje indywidualne właściwości fizyczne i
chemiczne, można je rozdzielić metodami fizycznymi.
Zarówno jedną jak i drugą fazę mogą stanowić pierwiastki lub związki
chemiczne we wszystkich stanach skupienia.
Pojecie „ układ dyspersyjny” z reguły używa się w odniesieniu do mieszaniny, w której drobinki
cieczy lub ciała stałego są rozproszone w gazie.
Mieszaniny powstają przez zmieszanie ze
sobą co najmniej dwóch substancji.
Przykłady mieszanin:
woda mineralna
mleko
herbata
ropa naftowa
Faza: rozproszona
► rozpraszająca
▼
gaz
gaz
roztwory
gazowe
(np.powietrze)
ciecz
ciało stałe
ciecz
piany (np. woda
sodowa)
ciało stałe
piany stałe
(np. pumeks)
aerozole i mgły roztwory właściwe (np. mokra
(np.
(np.ocet)
gąbka)
deszcz)
emulsje
(np.mleko)
dymy (np.
kurz)
roztwory
właściwe, koloidy
i zawiesiny
stopy metali (np.
brąz)
Mieszaniny jednorodne (homogeniczne)
Charakteryzuje je rozproszenie molekularne, a rozmiary cząsteczek
rozproszonych są wielkości mniejszych od 1 nm.
Nazywa się je roztworami właściwymi. Są one jednorodne fizycznie, tzn.
każda próbka, pobrana z dowolnego miejsca układu, ma taki sam skład
jakościowy i ilościowy.
Mieszaniny niejednorodne (heterogeniczne)
Charakteryzuje je rozproszenie koloidalne bądź makroskopowe.
W pierwszy przypadku nazywamy je koloidami, a rozmiary cząstek
rozproszonych zawierają się pomiędzy 1 nm a 100 nm.
W drugim przypadku są to zawiesiny, gdzie rozmiary cząstek rozproszonych
przewyższają 100 nm.
Te ostatnie są zazwyczaj układami nietrwałymi, złożonymi z cząsteczek
substancji stałej w cieczy lub gazie.
Przykłady mieszanin
niejednorodnych:








ciecz
opiłki żelaza zmieszane z siarką,
piasek z wodą,
olej z wodą,
ciecz
woda i atrament,
rys.1
kreda i woda
emulsje - powstają w wyniku zmieszania dwóch nierozpuszczalnych
wzajemnie cieczy, z których jedna jest rozproszona w drugiej np. mleko
(pod mikroskopem można dostrzec pojedyncze kulki tłuszczu - rys.1)
piana z mydła - pęcherzyki gazu rozproszone w cieczy
lub ciele stałym (rys.2)
dym - drobiny ciał stałych rozproszone
pęcherzyki gazu
w fazie gazowej
rys. 2
ciecz lub ciało stałe
Przykłady mieszanin jednorodnych
(homogenicznych):






benzyna (mieszanina węglowodorów)
solanka (roztwór wodny soli kamiennej)
cukier w wodzie
powietrze (mieszanina gazów)
roztwory wodne soków
ocet
Rozdzielanie mieszanin
Metody pozwalające rozdzielić
mieszaniny na składniki polegają na
wykorzystaniu różnic we właściwościach
fizycznych tych składników, np.: gęstości,
temperatury topnienia, rozpuszczalności w
wodzie itp.
Rozdzielanie mieszanin jednorodnych –
krystalizacja.
Służy do rozdzielenia mieszanin jednorodnych,
z których jedna jest cieczą a druga ciałem
stałym rozpuszczalnym w wodzie lub innych
rozpuszczalnikach.
Przykładem takiej substancji może być sól
kuchenna, która bardzo dobrze rozpuszcza się
w wodzie.
Żeby krystalizacja była możliwa, mieszanina
(roztwór) musi znajdować się w stanie
przesycenia, co osiągamy poprzez odparowanie
i ogrzewanie roztworu. W takim roztworze po
schłodzeniu, na dnie naczynia tworzą się
kryształy
Rozdzielanie mieszanin jednorodnych
DESTYLACJA
2
1
1
1
1
– proces rozdzielania ciekłych mieszanin
wieloskładnikowych, wykorzystujący różną
lotność poszczególnych składników.
6
1. Kolba
3
2
4
1
2. Nasadka destylacyjna
3. Chłodnica
1
1
1
5
4. Przedłużacz
5. Odbieralnik
Zestaw do destylacji
6. Termometr
Chromatografia
Termin chromatografia oznacza efekt rozdziału
(separacji) mieszaniny substancji na jej składniki,
obserwowany podczas przepływu fazy ruchomej
wzdłuż powierzchni fazy nieruchomej.
Rys.5
Rys.1
Rys.2
Rys.3
Rys.4
Zasada działania najprostszego chromatografu - fazą stałą jest bibuła (rys.1)
a fazą ruchomą ocet (rys.2). Mieszaniną, która podlega rozdziałowi jest tusz
mazaka (rys.3), którym rysujemy poziomą kreskę na bibule i zanurzamy w
naczyniu z octem (rys. 4). Po pewnym czasie na pasku bibuły obserwujemy
różnobarwne smugi (rys.5)
Najprostszym przykładem zastosowania chromatografii może być zwykły domowy
filtr do oczyszczania wody.
Odparowanie
Odparowanie ma zastosowanie do rozdzielania mieszanin jednorodnych na
przykład solanki (woda + sól). Przepuszczając taką mieszaninę przez filtr nie
jesteśmy w stanie jej rozdzielić (rys.1).
Odparowanie (zatężanie) polega na ogrzewaniu mieszaniny z której odparowuje
woda a w naczyniu pozostaje sól.
Proces ten może być przeprowadzony w parownicy lub szkiełku. Przed rozpoczęciem
odparowania naczynie napełniamy roztworem co najwyżej do połowy,
Następnie ustawicznie mieszając bagietką podgrzewamy
naczynie na małym ogniu. Usuwamy palnik po odparowaniu
około połowy objętości rozpuszczalnika. Pozostała ilość
rozpuszczalnika odparowuje wykorzystując ciepło rozgrzanego
naczynia.
rys.1
Rozdzielanie mieszanin niejednorodnych
w
postaci dwóch cieczy, które można z łatwością odróżnić.
Przykładem takiej mieszaniny jest woda
zmieszana z olejem. Te dwie substancje po
pewnym czasie rozdzielą się, tworząc dwie
warstwy. Olej jako lżejszy od wody, utworzy
warstwę górną a woda znajdzie się w
warstwie dolnej. Wystarczy wtedy zlać olej
z nad wody aby uzyskać rozdzielenie tych
dwóch substancji. Dokładniejszy rozdział
tych substancji uzyskamy spuszczając
dolną warstwę przez zawór, jednocześnie
obserwując granicę kontaktu tych dwóch
warstw. Przebieg tej metody ilustruje
rysunek
Rys.1
Rozdzielacz
olej
woda
Rozdzielanie mechaniczne
To rozdzielanie mieszanin "silnie
niejednorodnych". Proces ten polega na
wyjmowaniu np. za pomocą pincety dużych
kawałków jednej substancji, np. kulek
ołowianych z piasku. Zalicza się do tego typu
również: przesiewanie, rozdzielanie magnesem
itp.
Schemat procesu sedymentacji
cząstka
ciała stałego
ciecz
cząstka ciała
stałego
ciecz
Rys.1
Cząstki ciała stałego są zawieszone
w całej powierzchni cieczy
Rys.2
Po pewnym czasie cząstki
ciała stałego opadają na dno
Sedymentacja – opadanie cząsteczek ciała stałego
w cieczy na dno naczynia pod wpływem siły przyciągania
ziemskiego (grawitacji). Jest to proces samoczynny
Dekantacja
Oddzielenie ciała stałego (osadu) od cieczy poprzez
zlanie klarownej cieczy z nad osadu. Stosuje się ją do
rozdzielania mieszanin, w których jeden ze składników
jest cieczą.
Dekantacja często jest poprzedzona procesem
sedymentacji.
Zlewanie należy przeprowadzać ostrożnie i po bagietce.
Skuteczniejszą odmianą tego typu procesu jest sączenie.
SĄCZENIE (FILTROWANIE)
Przykładem filtracji jest rozdzielenie mieszaniny zawierającej drobiny
kredy zawieszone w wodzie (rys. 1). W celu rozdzielenia takiej mieszany
wystarczy przepuścić ją przez warstwę filtrującą, którą może być zwykła
bibuła. Na filtrze pozostaje osad a rozpuszczalnik przenika przez filtr
i oczyszczony od osadu spływa do zlewki.
W celu przeprowadzenia filtracji
sączek z bibuły filtracyjnej układamy
w lejku odpowiedniej wielkości,
dociskamy do ścianek i zwilżamy
wodą destylowaną. Ciecz do filtracji bagietka
powoli (najlepiej po bagietce)
wlewamy do lejka. Filtr napełniamy do
poziomu ok. 1 cm poniżej jego
krawędzi. Następną porcję wlewamy
do filtru dopiero wtedy, kiedy
kreda
poprzednia została już
przefiltrowana.
sączek
1
1
lejek
woda
Rys. 1.
Mieszanina a związek chemiczny
MIESZANINY
ZWIĄZKI CHEMICZNE
Właściwości chemiczne składników są
zachowane.
Właściwości chemiczne składników
zanikają zupełnie.
Można je rozdzielić na składniki metodami
fizycznymi
Można je rozdzielić na składniki, czyli
pierwiastki chemiczne, tylko na drodze
reakcji chemicznej.
Właściwości fizyczne są zawsze pośrednie.
Właściwości fizyczne mogą przekraczać
wartości charakterystyczne dla
pierwiastków, które te związki tworzą.
Skład ilościowy i jakościowy może być
dowolny.
Ma ściśle określony skład jakościowy i
ilościowy ( prawo stałości składu).
Zawiera różne cząstki składowe.
Zawiera cząsteczki jednego rodzaju.
Może zawierać wiele składników.
Zawiera zwykle niewielką liczbę składników.
ZAWIESINY
Mieszaniny niejednorodne, w których średnica cząsteczek substancji
rozproszonej jest większa od średnicy ośrodka rozpraszającego i
wynosi powyżej 10-7m.
Metody rozdzielania:
sączenie przez materiał porowaty
sedymentacja w polu grawitacyjnym ziemskim
dekantacja, tzn. ostrożne zlanie cieczy znad osadu
segregacja mechaniczna (jeżeli ziarna poszczególnych składników są
dostatecznie duże)
Sedymentacja jest jednym z podstawowych procesów wykorzystywanych w oczyszczaniu
wody do usuwania z niej cząstek o gęstości większej od gęstości wody, a więc cząstek
opadających.
Opadanie cząstek w wodzie jest zjawiskiem złożonym i zależy między innymi od ich stężenia,
wymiaru, kształtu, gęstości i temperatury oraz prędkości i kierunku przepływu wody.
W zależności od charakteru i ilości zawiesin wyróżnia się:
- opadanie cząstek ziarnistych
- opadanie cząstek kłaczkowatych
KOLOIDY
Mieszaniny w których średnica cząsteczek substancji rozproszonej
jest większa od średnicy cząsteczek ośrodka rozpraszającego, jej
wielkość waha się w granicach 10-9m – 10-7m
Stan rozproszenia koloidalnego jest bardzo rozpowszechniony, zarówno w świecie przyrody
ożywionej (różnorodne białka, pektyny, węglowodany) i nieożywionej (gliny, mgły, pył
wulkaniczny), jak również wśród związków otrzymanych sztucznie w laboratorium
chemicznym (mydła, niektóre barwniki, siarka koloidalna, tlenki metali itd.). Oprócz tego w
przyrodzie występuje dużo związków, których cząsteczki mają wymiary charakterystyczne
dla układów koloidalnych, zwane są one eukoloidami (np. skrobia, celuloza, kauczuk,
keratyna, kolagen glikogen itd.), znane są również syntetyczne eukoloidy, jak polistyreny i
inne tworzywa sztuczne. Podczas rozpuszczania eukoloidów powstają samorzutnie układy
koloidalne.
Najbardziej rozpowszechnione są układy koloidalne o ciekłym ośrodku dyspersyjnym, zwane
roztworami koloidalnymi, liozolami lub zolami. Jeżeli ośrodek dyspersyjny jest wodą, zwane
są hydrozolami, jeżeli alkoholem alkozolami, jeżeli benzenem - benzenozolami itd. Ogólnie,
jeżeli ośrodek dyspersyjny jest cieczą organiczną, układy koloidalne nazywa się
organozolami, jeżeli zaś gazem gazozolami (w przypadku powietrza - aerozolami).
Podział koloidów ze względu na powinowactwo substancji rozproszonej do fazy
rozpraszającej
Koloidy liofilowe
Koloidy liofobowe
Koloidy liofilowe charakteryzują się dużym powinowactwem do
rozpuszczalnika, cząstki koloidowe otaczają się otoczka solwatacyjną, która jest
czynnikiem nadającym im trwałość.
Jeśli fazą rozpraszającą jest woda wówczas nazywamy je koloidami
hydrofilowymi.
Przykłady: żelatyna, białko, insulina, kwas krzemowy
Koloidy liofobowe wykazują mniejsze powinowactwo do rozpuszczalnika, nie
otaczają się otoczką solwatacyjną. Czynnikiem stabilizującym je jest głównie
ładunek elektryczny. Cząstka fazy rozproszonej adsorbuje na swej powierzchni
jony określonego jednego znaku
Przykłady: zole metali Au, Pt, Ag, chlorek srebra
Podział koloidów ze względu na suchą pozostałość powstałą po usunięciu
( odparowaniu) ośrodka rozpraszającego.
Koloidy odwracalne
Koloidy
nieodwracalne
Koloidy odwracalne - sucha pozostałość przechodzi z powrotem do roztworu
pod działaniem nowej ilości fazy rozpraszającej.
Koloidy nieodwracalne – brak powtórnego utworzenia roztworu
Otrzymywanie koloidów
Metody dyspersyjne
Polegają na rozdrabnianiu cząstek o wymiarach większych od 500nm, aż do
uzyskania wymiarów charakterystycznych dla roztworów koloidalnych.
Należą tu głównie:
rozdrabnianie mechaniczne (rozcieranie),
metoda Brediga, polegająca na rozpyleniu głównie czystych metali w łuku Volty,
peptyzacja (polega na działaniu roztworem odpowiedniego elektrolitu na świeżo
wytrącony trudno rozpuszczalny osad),
rozpylanie za pomocą ultradźwięków,
rozpylanie katodowe, termiczne itd.
Metody kondensacyjne (rozdrabnianie na drodze przemian chemicznych)
Polegają na łączeniu cząsteczek lub jonów w większe zespoły aż do osiągnięcia
rozdrobnienia koloidalnego. Najważniejsze z tego typu metod to zmniejszenie
rozpuszczalności, redukcja, czasem utlenienie, hydroliza, polimeryzacja, metoda
zarodnikowa i inne.
Np;
2H 2S  SO 2  2H 2O  3S
AgNO 3  NaCl  NaNO3  AgCl 
Niektóre właściwości układów koloidalnych
Właściwości mechaniczne
ruchy Browna
nieustanne, chaotyczne ruchy (postępowe, obrotowe i drgające) cząstek
fazy rozproszonej w ośrodku ciekłym lub gazowym
Dyfuzja
Ruch cząsteczek pod wpływem różnicy stężeń pomiędzy rożnymi
częściami roztworu (od większego do mniejszego).
Sedymentacja
Tendencja do opadania pod wpływem siły ciężkości.
Osmoza
Jednostronna dyfuzja rozpuszczalnika przez błonę półprzepuszczalną.
Czynnik warunkujący to ciśnienie osmotyczne.
Właściwości optyczne
Efekt Tyndalla
Rozmiary cząsteczek koloidalnych powodują że
światło przepuszczane przez układ koloidalny
ulega na cząstkach ugięciu i częściowemu
rozproszeniu - charakterystyczny stożek Tyndalla.
Intensywność tego zjawiska jest tym większa, im
większa jest różnica między współczynnikiem
załamania fazy rozproszonej i ośrodka
dyspersyjnego.
Właściwości elektryczne
Na skutek adsorpcji jonów elektrolitu z roztworu na powierzchni cząstki koloidalnej
powstaje ładunek elektryczny.
W wyniku tej adsorpcji tworzy się podwójna warstwa elektryczna złożona z powłoki
wewnętrznej, czyli adsorpcyjnej, przylegającej mocno do powierzchni zewnętrznej,
będącej warstwą jonów przeciwnego znaku.
Zależnie od tego jakie jony są adsorbowane na powierzchni, cząstka może być
naładowana albo ujemnie albo dodatnio. Jednak znak ładunku elektrycznego nie
jest ich cechą charakterystyczną. Ta sama bowiem cząstka koloidalna może
mieć ładunek dodatni lub ujemny, zależnie od środowiska.
Na przykład koloidalny jodek srebra AgJ w roztworze zawierającym jony srebra jest
naładowany dodatnio, w roztworze zaś zawierającym jony jodkowe ujemne.
Cząstka dowolnego koloidu posiadająca ładunek nosi nazwę miceli.
Koagulacja
Właściwości elektryczne układów koloidalnych decydują o ich zdolności do
koagulacji.
Koagulacja polega na zmniejszeniu się stopnia dyspersji układów
koloidalnych, a więc na łączeniu się cząstek fazy rozproszonej w większe
zespoły w wyniku obniżania ładunku elektrycznego powierzchni cząstki
koloidalnej.
Podczas koagulacji zole przechodzą w żele (usieciowane koloidy) lub osady .
Koagulacja może być odwracalna i nieodwracalna. Odwracalna jest wówczas, gdy
żel można z powrotem przeprowadzić w zol. Nosi ona wtedy nazwę peptyzacji.
Koagulację koloidów mogą na ogół wywoływać następujące czynniki:
- dodatek elektrolitu,
- dodatek koloidu o ładunku przeciwnym, co powoduje rozładowanie cząstek,
-naświetlanie radiochemiczne (np. promieniowanie b powoduje koagulację zoli
dodatnich),
- działanie mechaniczne (mieszanie, wytrząsanie),
- ogrzewanie (np. ścinanie się białka),
- dehydratacja lub desolwatacja przez dodanie środków odwadniających, np.
alkoholu lub acetonu,
-odparowanie lub wymrażanie ośrodka dyspersyjnego.
Peptyzacja
Zjawisko przechodzenia osadu koloidalnego lub (żelu) w koloid (odwrotność
koagulacji).
Koloidy liofobowe
Koloidy liofilowe
Otrzymywanie
metodą dyspersji lub kondensacji
przez zwykłe rozpuszczanie
Struktura cząstek
zespoły cząsteczek
cząsteczki olbrzymy
Stężenie fazy rozproszonej
na ogół nieznaczne
może być duże
Ruchy Browna
występują wyraźnie
często bardzo niewyraźne
Efekt Tyndalla
wyraźny
niewyraźny
Ładunek elektryczny
cząstki są zawsze naładowane
ładunek nieznaczny lub brak
Lepkość
nieznaczna
znaczna
Tworzenie piany
nie tworzą piany
łatwo tworzą pianę
Tworzenie galaret
nie tworzą
tworzą łatwo
Wrażliwość na elektrolit
duża, zachodzi koagulacja
mała
Trwałość
trwałość tych koloidów wiąże
się z istnieniem sił
elektrostatycznego odpychania
cząstek fazy rozproszonej
wywołanych przez
jednoimienne ładunki
powierzchniowe
trwałość tych koloidów wiąże się
z istnieniem otoczki
salwatacyjnej
Charakter koagulacji
z reguły nieodwracalna
z reguły odwracalna
Trochę pojęć
koagulat - substancja rozpuszczona powstała po odparowaniu rozpuszczalnika z
koloidu
żel - typowa forma koagulatu, układ o wyglądzie zbliżonym do ciała stałego,
często miękki i elastyczny
koagulacja - proces przejścia koloidu w koagulat, polega na łączeniu się cząstek
koloidalnych w wielkie agregaty tworzące nieregularną sieć
peptyzacja - proces przejścia koagulatu w koloid (odwrotność koagulacji)
galareta - substancja powstała rozpuszczenia płatków żelatyny w gorącej wodzie
i ochłodzeniu roztworu
emulsje - są to układy rozproszone, w których zarówno substancja jak i ośrodek
rozpraszający są cieczami.
emulgator - stabilizujący układ dodawany do typowych emulsji; składa się
zazwyczaj z dwóch części: hydrofobowej (zwykle dość długiej i oznaczonej na
rysunkach kolorem zielonym) oraz hydrofilowej (niewielkiej oznaczonej na
rysunkach kolorem pomarańczowym)
piany - są to układy dyspersyjne, w których substancją rozpuszczoną jest gaz, a
ośrodkiem dyspersyjnym ciecz lub ciało stałe; z reguły nietrwałe
MIESZANINY JEDNORODNE
Roztwór - jest jednorodną mieszaniną składającą się z rozpuszczalnika i
jednej lub większej ilości substancji rozpuszczonej.
Roztwory właściwe złożone są z cząsteczek lub jonów o rozmiarach
mniejszych niż 10-9m.
Powszechnie jest używany do roztworów ciekłych. Chemicy mówią również o
roztworach gazowych (mieszanina gazów) i o roztworach stałych (stopy).
ROZTWORY
GAZOWE
CIEKŁE
STAŁE
(stopy)
Roztwory ciekłe
Roztwory ciekłe powstają przez rozpuszczenie w cieczy substancji
gazowych, ciekłych lub stałych.
Roztwór  rozpuszczalnik  substancja rozpuszczona



roztwór
Typy rozpuszczalników
Najważniejszą cechą fizyczną rozpuszczalników jest ich polarność.
Rozpuszczalniki polarne tworzą cząsteczki o dużych momentach
dipolowych ( woda, amoniak). Na poziomie mikroskopowym
substancje rozpuszczone w rozpuszczalnikach polarnych ulegają
solwatacji. Cząsteczki rozpuszczalnika zostają uporządkowane wokół
cząsteczek rozpuszczonych.
W rzeczywistości solwatacja polega
na oddziaływaniach typu donor – akceptor,
niekoniecznie tylko elektrostatycznej natury,
dzięki czemu również cząsteczki elektrycznie obojętne
mogą ulegać silnej solwatacji.
Cząsteczki rozpuszczalników niepolarnych wykazują co najwyżej mały
moment dipolowy.
Zazwyczaj lepiej rozpuszczają się w nich substancje niepolarne. W takich
rozpuszczalnikach cząsteczki oddziałują głownie za pośrednictwem sił van
der Waalsa.
Niepolarne ciecze są zwykle słabymi rozpuszczalnikami dla cząsteczek
polarnych, ponieważ słabe oddziaływania międzycząsteczkowe nie mogą
konkurować z silniejszymi oddziaływaniami wewnątrz substancji
rozpuszczanej.
Na podobnej zasadzie substancje niepolarne nie mogą współzawodniczyć
z silnymi oddziaływaniami międzycząsteczkowymi w rozpuszczalnikach
polarnych i ich rozpuszczalność jest w takich rozpuszczalnikach słaba.
W chemii często cytuje się pożyteczne uogólnienie "podobne rozpuszcza
podobne".
Oznacza to, że rozpuszczanie występuje wówczas, gdy cząsteczki substancji
rozpuszczanej mają strukturę i właściwości elektryczne podobne do cząsteczek
rozpuszczalnika.
Woda jako rozpuszczalnik
Woda jest najbardziej rozpowszechnionym rozpuszczalnikiem. Jednak daleko jej
jeszcze do tego, aby być rozpuszczalnikiem uniwersalnym, ponieważ istnieje
wielka liczba substancji, które z natury nie rozpuszczają się w wodzie.
Jakie są więc czynniki wpływające na rozpuszczalność w wodzie?
W przypadku wody sytuacja jest szczególnie złożona, ponieważ występujące wiązanie
wodorowe ma tendencję do utrzymywania cząsteczek wody w stanie zasocjowanym.
Na ogół woda jest słabym rozpuszczalnikiem dla niejonowych substancji rozpuszczanych. W
szczególności węglowodory są praktycznie nierozpuszczalne w wodzie. W tych przypadkach
wzajemne oddziaływanie wody i cząsteczek substancji rozpuszczanej jest tak słabe, że nie
wydziela się dostatecznie dużo energii do zniszczenia struktury wody.
Istnieją jednak pewne substancje, które dobrze rozpuszczają się w wodzie, np. amoniak NH 3
czy alkohol etylowy C2H5OH. W przypadku amoniaku powstają wiązania wodorowe pomiędzy
N z amoniaku i O z wody, a w przypadku alkoholu etylowego- pomiędzy O z alkoholu i O z
wody. Cukry jak np. sacharoza C12H22O11, swoją znakomitą rozpuszczalność zawdzięczają w
dużym stopniu wiązaniu wodorowemu, ponieważ podobnie jak C2H5OH zawierają one grupy
OH.
Związki jonowe dobrze rozpuszczają się w wodzie, ponieważ cząsteczki wody stanowią
dipole, dzięki czemu mogą atakować zarówno kation na powierzchni kryształu, zbliżając się
do niego ujemnym biegunem dipola, jak też mogą wyrwać z sieci jonowej anion, zbliżając się
do niego dodatnim biegunem dipola. Każdy jon uwolniony z sieci krystalicznej zostaje
otoczony przez kilka cząsteczek wody. Zjawisko takie nosi nazwę hydratacji, w przypadku,
gdy rozpuszczalnikiem jest woda. Rozpuszczalność substancji jonowych w wodzie zależy od
subtelnej równowagi między energią sieci krystalicznej a energią uwodnienia i entropią
jonów.
Rozpuszczanie
Proces mieszania dwóch substancji prowadzący do otrzymania
mieszaniny jednorodnej makroskopowo nazywa się rozpuszczaniem
Rozpuszczanie możemy przyspieszyć przez:
a) rozdrobnienie substancji rozpuszczanej
b) mieszanie
c) podgrzewanie
Oczywiście prędkość rozpuszczania zależy od substancji, którą rozpuszczamy i
użytego rozpuszczalnika.
Roztwór nasycony - roztwór, w którym nie można rozpuścić więcej substancji w
danej temperaturze.
Roztwór nienasycony - roztwór, w którym można rozpuścić więcej substancji w
danej temperaturze.
Roztwór stężony - roztwór, w którym masa substancji rozpuszczonej jest znaczna
(kilkadziesiąt procent) w stosunku do masy wody (rozpuszczalnika).
Roztwór rozcieńczony - roztwór, w którym masa substancji rozpuszczonej jest
mała (kilka procent) w stosunku do masy rozpuszczalnika.
Roztwór przesycony to roztwór o stężeniu większym od stężenia roztworu
nasyconego w danej temperaturze.
Można go otrzymać przez uzyskanie roztworu nasyconego w temperaturze wyższej,
pozbawienie go pozostałej stałej substancji rozpuszczanej (tak żeby nie było zarodków
krystalizacji), a następnie ostrożne oziębianie tego roztworu. Roztwór przesycony jest
termodynamicznie nietrwały.
Rozpuszczalność
Jest to wielkość, którą wyznacza się doświadczalnie i wyraża ona masę
substancji rozpuszczonej wyrażoną w gramach, którą możemy rozpuścić w
100 gramach rozpuszczalnika w określonej temperaturze i ciśnieniu. z
utworzeniem roztworu nasyconego.
msubst
R
 100
mrozp
ms – masa substancji rozpuszczonej
w roztworze nasyconym w [g]
mrozp – masa rozpuszczalnika w [g].
Rozpuszczalność substancji zależy od:
rodzaju substancji rozpuszczanej,
rodzaju rozpuszczalnika,
temperatury ( dla większości substancji),
ciśnienia (dla gazów).
efektu solnego (dla soli)
wpływu wspólnego jonu (dla soli)
kompleksowania (dla soli)
Rozpuszczalność, wraz ze wzrostem temperatury,
z reguły rośnie dla cieczy i ciał stałych, zaś
maleje dla gazów.
Każdą substancję można zaliczyć do jednej
z trzech grup:
1. substancja praktycznie nierozpuszczalna
(rozpuszczalność poniżej 0,1g),
2. substancja słabo rozpuszczalna
(rozpuszczalność w granicach 0,1-1g),
3. substancja dobrze rozpuszczalna
(rozpuszczalność ponad 1g).
Do 400g wody w temp.20C dodano 200g substancji po czym okazało się ze
rozpuściła się tylko połowa ilości. Oblicz rozpuszczalność tej substancji w danej
temp.
100 g
m
R

 100
subst
Dane:
mH2O= 400g
R
 100
mS= 200g/2= 100g
mrozp
400 g
R  25g
Stopy
Stopami nazywamy stopienie ze sobą dwóch metali lub metali z niemetalami.
Stopy posiadają zupełnie inne cechy niż metale wchodzące w ich skład.
Obecnie stale stopowe wytwarzane są w wielkiej różnorodności gatunków.
Zmienia się nie tylko substancje dodawane do stali, ale także sposoby obróbki cieplnej, by
uzyskać materiał o pożądanych własnościach.
Stal manganowa zawiera na przykład około 1% węgla i 11 do14% manganu. Używa się jej do
wytwarzania elementów narażonych na wzmożone ścieranie. Typowa stal nierdzewna, składa
się z żelaza oraz 18% chromu, 8% niklu oraz 0,08% węgla. Inne odmiany stali nierdzewnej
zawierają od 12 do 30% chromu, często wraz z mniejszymi ilościami innych metali, jak nikiel,
molibden czy miedź. Stopy te są szeroko stosowane w przemyśle oraz w wyrobach
codziennego użytku.
Stopy na bazie miedzi obejmują brąz, mosiądz oraz stopy miedziowoniklowe.
Brąz jest najstarszym znanym stopem.
Pierwotnie składał się z 75% miedzi oraz 25% cyny.
Dzisiaj nazwa brąz odnosi się do szerokiej gamy stopów na bazie miedzi, zawierających
różne dodatki, a niekiedy zupełnie nie zawierających cyny. Spośród najważniejszych odmian
brązu należy wymienić fosforobrązy, wytwarzane przez dodanie do 0,5% fosforu do brązu o
zawartości 85-90% miedzi. Przy zawartości fosforu nie większej niż 0,3% stop jest sprężysty
i niemagnetyczny.
Mosiądz to stop miedzi i cynku, łączonych ze sobą w różnych proporcjach.
Do tego podstawowego składu dodaje się często inne metale, przykładowo cynę, ołów i
aluminium.
Mosiądz łuskowy składa się w 70% z miedzi i w 30% z cynku.
Mosiądz o dużej wytrzymałości na rozciąganie, twardszy i wytrzymalszy od mosiądzu
łuskowego, produkowany jest przez stopienie miedzi i cynku z dodatkiem manganu, żelaza,
cyny, ołowiu i aluminium. Jest to materiał łatwy do obróbki i do odlewania.
Stopem z grupy mosiądzów jest również nowe srebro, czyli argentan lub po prostu mosiądz
wysokoniklowy. Stop ten składa się z miedzi (normalnie około 65%), cynku (około 17%) oraz
niklu (18%). Nowe srebro nie zawiera w sobie ani grama srebra, jednak swym wyglądem
bardzo przypomina ten szlachetny metal.
Stopy aluminium mają stosunkowo krótką historię, gdyż ich wytwarzanie zaczęto
w XX wieku.
Nadające się do odlewania stopy aluminium zawierają do 15% krzemu oraz niewielkie dodatki
metali, takich jak cynk, miedź żelazo, nikiel i mangan. Z tych lekkich stopów odlewane są bloki
cylindrów, inne elementy silników spalinowych, a także elementy kadłubów samolotów.
Stopy aluminium nadające się do kształtowania w trakcie takich procesów jak kucie,
walcowanie lub ciągnięcie zawierają około 7% magnezu i około 1% manganu.
Duraluminium zwykle zwiera, oprócz aluminium, 3,5-4,5% miedzi, po 0,4-0,7% magnezu i
manganu oraz do 0,7% krzemu.
PODSUMOWANIE
Mieszanina jednorodna - mieszanina, której składników nie można zobaczyć
gołym okiem lub za pomocą przyrządów optycznych.
Mieszanina niejednorodna - mieszanina, której składniki można zobaczyć
gołym okiem lub za pomocą przyrządów optycznych.
Każdą mieszaninę można rozdzielić np.:
1. Mieszaniny ciała stałego w cieczy:
• ciało stałe można oddzielić od cieczy przez filtrację - ciało stałe zatrzymuje
się na bibule, a ciecz przenika przez nią,
• odwirowanie - ciało stałe zawieszone w cieczy osiada na dnie naczynia
wskutek jego szybkiego wirowania,
• dekantację – zlewanie cieczy z nad osadu,
• odparowanie -rozpuszczalnik odparowuje, a substancja stała pozostaje
w naczyniu),
• krystalizację - ciało stałe w zimnym roztworze osadza się w postaci
kryształów,
2. Mieszaniny dwóch cieczy:
• przez destylację - uwzględniając różnice temperatury wrzenia obu
cieczy,
• w rozdzielaczu -wykorzystuje się różnicę w ciężarze właściwym obu
cieczy,
• metodami chromatograficznymi - różne zabarwienia.
mieszaniny związków
chemicznych
RODZAJE MIESZANIN
mieszaniny
pierwiastków
mieszaniny pierwiastków
i związków chemicznych