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 oC , 613 Pa).
Na krivoj isparavanja (l-g):
tb = 100 oC, p = pθ.
Na krivoj topljenja (s-l):
tf = 0 oC, p = pθ.
- 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 oC 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, CO2
Fazni dijagram joda, I2
Iako nesumnjivo uočavamo
da I2 sublimiše, on nema
standardnu temperaturu
sublimacije jer je trojna tačka
ispod 101,3 kPa
(113,5 oC, 12,1 kPa).
CO2 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).
Δtb = ΔTb = tb’ - tb
Δtf = ΔTf = tf - tf’ (Δtf > Δtb)
b – boiling (ključanje); f – freezing (mržnjenje)
p(H2O) = x(H2O) po(H2O); x(H2O) = 1 - x(B)
po(H2O) - p(H2O) = Δp = po(H2O) x(B)
ΔTb = Kb m
ΔTf = Kf m
m – molalitet (mol kg-1)
B – rastvorena
supstanca
Dva nova Raulova
zakona !!!
Važna digresija – najčešći načini izražavanja sastava
rastvora
m(B)
m(B)
[1]
=
maseni udeo: w =
m(smeše) m(rastvora )
m( B)
⋅100
[mas.%]
ili u procentima: w =
m(rastvora )
(količinska) koncentracija – molaritet:
m( B)
n(B)
c=
=
V (rastvora) M (B) ⋅ V (rastvora )
[mol m-3, mol dm-3, M]
oznake: cB ≡ c(B) ≡ [B]
molalitet:
n(B)
m(B)
m=
=
m(H 2O) M (B) ⋅ m(H 2O)
[mol kg-1]
Kf – molalno sniženje temperature (tačke) mržnjenja,
krioskopska konstanta
Kb – molalno povišenje temperature (tačke) ključanja,
ebulioskopska konstanta
H2O
benzol
kamfor
Kf
1,86
5,1
40,0
Kb
0,53
2,57
6,09
[K kg mol-1]
Značaj sniženja temperature mržnjenja:
- posipanje ulica solima (NaCl, CaCl2) protiv poledice,
- dodatak antifriza (etilen-glikol) u hladnjake automobila,
- priprema ledenih kupatila (smeša NaCl i leda, -20 oC),
- određivanje molarne mase (metode: krioskopija i
ebulioskopija).
m(B)
m(B)
ΔTf = K f
M (B) = K f
M (B) ⋅ m(H 2O)
ΔTf ⋅ m(H 2O)
Izračunati molarnu masu nepoznate organske
supstance, ako rastvor 1,50 g supstance u
75,0 g cikloheksana mrzne na 2,70 oC.
Priručnik: tf(cikloheksan) = 6,2 oC,
Kf(cikloheksan) = 20,2 K kg mol–1
∆tf = tfo – tf = 6,2 – 2,70 = 3,50 oC
∆Tf = Kf m
m=
m=
∆Tf = 3,50 K
3,50 K
ΔTf
–1
=
=
0,1733
mol
kg
20,2 K kg mol –1
Kf
n( X )
m( X )
=
m(cikloheksan ) M (X) ⋅ m(cikloheksan )
M (X) =
1,50 g
m( X )
–1
=
=
116
g
mol
m ⋅ m(cikloheksan )
0,1733 mol kg –1 ⋅ 75,0 ⋅ 10 – 3 kg
Izračunati temperaturu mržnjenja rastvora
antifriza koji sadrži 50,0 cm3 etilen-glikola
(C2H6O2) gustine 1,12 g cm–3 i 50,0 g vode.
∆Tf = Kf m
m=
56,00 g
m(C 2 H 6 O 2 )
–1
=
=
18,04
mol
kg
M (C 2 H 6 O 2 ) ⋅ m(H 2 O)
62,07 g mol –1 ⋅ 50,0 ⋅ 10 – 3 kg
m(C2H6O2) = ρV = 1,12 g cm–3 · 50,0 cm3 = 56,00 g
∆Tf = Kf m = 1,86 K kg mol–1 · 18,04 mol kg–1 = 33,56 K
tf = 0 – 33,56 oC = –33,6 oC
DIFUZIJA, OSMOZA I REVERZNA OSMOZA
gasovi
rastvori, tečnosti
ΔmixH = ?
ΔmixS > 0
ΔmixG < 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):
ΠV = nRT
n
Π = RT = cRT
V
pV = nRT
pa
pa
Stanje u razblaženom
rastvoru poredivo je sa
stanjem kod idealnog gasa!
Δh
c1
c2
c1>c2
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
- unošenjem rastvora u krvotok može
doći do uništavanja krvnih zrnaca
(krvnih ćelija) usled smežuravanja ili
bubrenja zbog osmoze.
fiziološki rastvor: 0,95 % rastvor NaCl
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:
H2O
A+B-(s) ⎯⎯→ A+(aq) + B-(aq)
Elektrolitička disocijacija
- rastvori nekih (jako) kovalentnih polarnih jedinjenja:
H2O
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.
ΔTf – izračunata vrednost
ΔTf’ – eksperimentalna vrednost (uvek veća!)
ΔTf’/ΔTf = i, gde je i - Vant Hofov broj
ΔTb = i Kb m
ΔTf = i Kf m
Raulovi zakoni za rastvore elektrolita
Π=icRT
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
BaCl2(s) → Ba2+(aq) + 2Cl- (aq)
ν = 1+2 = 3
Kod elektrolita na osnovu Raulovih zakona može da se
odredi stepen disocijacije (jonizacije):
i = ...
ΔTf = i Kf m
α = ...
Na osnovu jednačine disocijacije elektrolita i poznate
vrednosti α može da se odredi koncentracija jona u rastvoru:
c(Ba2+) = [Ba2+] = ν(Ba2+) c α = c α
ν(Ba2+) = 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, HClO4, H2SO4, HNO3 ...
SLABI ELEKTROLITI:
- sva jedinjenja koja nisu rastvorna u vodi,
- slabe baze (NH3),
- slabe kiseline (CH3COOH, HClO, HClO2, HNO2, H2S, „H2SO3”),
- 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 + K2SO4 → 2 KCl + Na2SO4
2Na+ + 2Cl- + 2K+ + SO42- → 2K+ + 2Cl- + 2Na+ + SO420 → 0
NEMA REAKCIJE !!!
naziv: REAKCIJE JONSKE IZMENE
Primer gde ima reakcije:
AgNO3 + NaCl → AgCl(s) + NaNO3
Ag+ + NO3- + Na+ + Cl- → AgCl(s) + Na+ + NO3Ag+(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:
2HNO3 + Na2S → H2S(g) + 2NaNO3
2H+ + 2NO3- + 2Na+ + S2- → H2S(g) + 2Na+ + 2NO32H+(aq) + S2-(aq) → H2S(g)
Nastaje slab elektrolit (koji ostaje u rastvoru):
- jače kiseline (baze) istiskuju slabije kiseline (baze) iz
njihovih soli
HCl + NaCH3COO → CH3COOH + NaCl
H+ + Cl- + Na+ + CH3COO- → CH3COOH + Na+ + ClH+(aq) + CH3COO-(aq) → CH3COOH(aq)
- neutralizacija, reakcija između kiseline i baze
HCl + NaOH → NaCl + H2O
H+ + Cl- + Na+ + OH- → Na+ + Cl- + H2O
H+(aq) + OH-(aq) → H2O(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.
c1
<
c2
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/cθ
aktivnost
koeficijent
aktivnosti
cθ = 1 mol/dm3
koncentracija
- a zamenjuje c pri visokim vrednostima koncentracija!
c > 0,01 mol/dm3, γ < 1, sledi: a < c
c → 0, γ → 1, sledi: a → c
problem: γ = f(c)
aθ (čista supstanca) = 1; standardni pritisak: pθ = 101 325 Pa
Download

10_Razblazeni rastvori.pdf