Chemia/Roztwory doskonałe i rzeczywiste
Spis treści
Układy dyspersyjne
- Układem jest wyodrębniony obszar materii oddzielony od otoczenia wyraźną granicą.
- Układ dyspersyjny to układ składający się z fazy zdyspergowanej (rozproszającej).
- Układ dyspersyjny jednorodny (roztwór właściwy, homogeniczny) cechują jednakowe właściwości fizykochemiczne w każdym elemencie objętości.
- Układ dyspersyjny niejednorodny (heterogeniczny) charakteryzuje się występowaniem obszarów o odmiennych właściwościach
Właściwości roztworów
- Roztworem właściwym jest jednorodna mieszanina dwu lub więcej składników (składnik występujący w nadmiarze jest rozpuszczalnikiem, pozostałe składniki — substancjami rozpuszczonymi).
- Rozpuszczalność — maksymalna liczba gramów substancji rozpuszczonej w 100 g rozpuszczalnika, w określonych warunkach temperatury i ciśnienia ([math]c_\max[/math]).
- Roztwór nasycony to roztwór o stężeniu [math]c=c_\max[/math].
- Roztwór nienasycony to roztwór o stężeniu [math]c\lt c_\max[/math].
- Roztwór przesycony to roztwór o stężeniu [math]c\gt c_\max[/math].
Określanie stężeń roztworów
- Stężenie molowe — liczba moli substancji rozpuszczonej zawartej w 1 dm3 roztworu (cm, mol/dm3).
- Stężenie normalne — liczba gramorównoważników substancji rozpuszczonej w 1 dm3 roztworu (Cn, gR/dm3).
- Stężenie procentowe — procent masowy (wagowy) substancji rozpuszczonej w roztworze (cp, %).
- Ułamek molowy — udział liczby moli i-tego składnika w liczbie moli wszystkich składników roztworu (xi).
Fazy jedno i wieloskładnikowe
- Układ homogeniczny jest układem jednofazowym, a układ heterogeniczny — układem wielofazowym.
- Faza jest częścią układu oddzieloną granicą fazową, dającą się odróżnić pod względem właściwości fizycznych.
- Składnikami układu są substancje chemiczne, z których dany układ jest złożony.
- Faza jednoskładnikowa jest nazywana substancją czystą.
- Faza wieloskładnikowa jest nazywana roztworem (ciekłym, gazowym lub stałym).
- Przemiany fazowe polegają na znikaniu jednej fazy i pojawianiu się innej, ale w układzie pozostaje ta sama substancja.
- Przemiany chemiczne (reakcje) polegają na tworzeniu nowych substancji.
Model roztworu doskonałego
- Pojęcie doskonałości roztworów ma inne znaczenie niż w zastosowaniu do gazów. Model gazu doskonałego zakłada brak oddziaływań międzycząsteczkowych.
- W przypadku układów skondensowanych (ciekłych i stałych) nie można pominąć oddziaływań międzycząsteczkowych.
- W modelu roztworów doskonałych podstawowym założeniem jest to, że charakter oddziaływań pomiędzy różnymi rodzajami cząsteczek w mieszaninie jest bardzo podobny do oddziaływań pomiędzy cząsteczkami czystych składników.
- Model roztworu doskonałego umożliwia znalezienie wielu prostych relacji ilościowych, opisujących zarówno równowagi fazowe jak i chemiczne w układach wieloskładnikowych.
Prawo Raoulta
Prawo Raoulta określa zależność pomiędzy składem roztworu a prężnością pary nasyconej nad roztworem. Zależność ta jest opisana równaniem:
- [math]p_i= p_{i_0}x_i[/math]
gdzie [math]p_i[/math], [math]p_{i_0}[/math] oznacza prężność pary składnika i odpowiednio nad roztworem i czystym rozpuszczalnikiem, [math]x_i[/math] ułamek molowy tego składnika w roztworze (ułamek molowy jest to stosunek liczby moli składnika i do liczby moli wszystkich składników roztworu).
Dla układu dwuskładnikowego
- [math]p= p_1+ p_2= p_{1_0}x_1+ p_{2_0}x_2[/math].
Z prawa Raoulta wynika, że prężność pary nad roztworem jest liniową funkcją jego składu.
Efekt ebulioskopowy i krioskopowy
- Obniżenie prężności pary nad roztworem po rozpuszczeniu substancji nielotnej prowadzi do podwyższenia temperatury wrzenia (efekt ebulioskopowy) i obniżenia temperatury krzepnięcia (efekt krioskopowy) w stosunku do czystego rozpuszczalnika.
- Zarówno podwyższenie temperatury wrzenia [math](\Delta T_w = T_w - T_{w_0})[/math], jak i obniżenie temperatury krzepnięcia [math](\Delta T_k = T_k - T_{k_0})[/math], zależy od stężenia roztworów:
- [math]\Delta T_w = K_w \cdot c_m[/math],
- [math]\Delta T_k = K_k \cdot c_m[/math],
- [math]K_w[/math] oznacza stałą ebulioskopową, [math]K_k[/math] stałą krioskopową, a [math]c_m[/math] stężnie molarne (określające liczbę moli substancji rozpuszczonej w 1 kg rozpuszczalnika).
- Stała ebulioskopowa i krioskopowa są wielkościami charakterystycznymi dla danego rozpuszczalnika
- [math]K_w= \frac{RT_w^2M}{1000\Delta H_w}[/math]
- [math]K_k= \frac{RT_k^2M}{1000\Delta H_k}[/math]
- ([math]T_w[/math] i [math]T_k[/math] oznaczają temperaturę wrzenia i krzepnięcia czystego rozpuszczalnika, [math]M[/math] — jego masę cząsteczkową, a [math]\Delta H_w[/math] i [math]\Delta H_k[/math] odpowiednio ciepło parowania i topnienia 1 mola czystego rozpuszczalnika).
Wyznaczanie mas molowych substancji rozpuszczonych
Efekt ebulioskopowy i krioskopowy wykorzystuje się do wyznaczania mas molowych substancji rozpuszczonych w roztworach na podstawie równań:
- [math]M= \frac{K_w1000m_s}{\Delta T_wm_r}[/math]
- [math]M= \frac{K_k1000m_s}{\Delta H_km_r}[/math]
gdzie M oznacza masę molową rozpuszczonej związku, [math]m_s[/math] — masę tej substancji w roztworze, [math]m_r[/math] — masę rozpuszczalnika, [math]\Delta T_w[/math], [math]\Delta T_k[/math] — zmianę temperatury wrzenia i krzepnięcia.