december 4, 2021

9.1: blandinger og løsninger

læringsmål

  • for at forstå, hvad der får løsninger til at dannes.

en opløsning er et andet navn for en homogen blanding. En blanding som et materiale sammensat af to eller flere stoffer. I en løsning er kombinationen så intim, at de forskellige stoffer ikke kan differentieres ved synet, selv med et mikroskop. Sammenlign for eksempel en blanding af salt og peber og en anden blanding bestående af salt og vand. I den første blanding kan vi let se individuelle saltkorn og peberflekker. En blanding af salt og peber er ikke en løsning. Men i den anden blanding, uanset hvor omhyggeligt vi ser, kan vi ikke se to forskellige stoffer. Salt opløst i vand er en opløsning.

hovedkomponenten i en opløsning, kaldet opløsningsmidlet, er typisk den samme fase som selve opløsningen. Hver mindre komponent i en opløsning (og der kan være mere end en) kaldes det opløste stof. I de fleste af de løsninger, vi vil beskrive i denne lærebog, vil der ikke være nogen tvetydighed om, hvorvidt en komponent er opløsningsmidlet eller det opløste stof. For eksempel i en opløsning af salt i vand er det opløste stof salt, og opløsningsmiddel er vand.

opløsninger kommer i alle faser, og opløsningsmidlet og det opløste stof behøver ikke at være i samme fase for at danne en opløsning (såsom salt og vand). For eksempel er luft en gasformig opløsning på omkring 80% nitrogen og omkring 20% ilt, med nogle andre gasser til stede i meget mindre mængder. En legering er en fast opløsning bestående af et metal (som jern) med nogle andre metaller eller ikke-metaller opløst i den. Stål, en legering af jern og kulstof og små mængder af andre metaller, er et eksempel på en fast opløsning. Tabel \(\Sideindeks{1}\) viser nogle almindelige typer løsninger med eksempler på hver.

tabel \(\Sideindeks{1}\): Types of Solutions


Solvent Phase Solute Phase Example
gas gas air
liquid gas carbonated beverages
liquid liquid ethanol (C2H5OH) in H2O (alcoholic beverages)
liquid solid saltwater
solid gas H2 gas absorbed by Pd metal
solid liquid Hg(ℓ) in dental fillings
solid solid stållegeringer

hvad får en løsning til at danne? Det enkle svar er, at opløsningsmidlet og det opløste stof skal have lignende intermolekylære interaktioner. Når dette er tilfældet, kan de enkelte partikler af opløsningsmiddel og opløst stof let blandes så intimt, at hver partikel af opløst stof er omgivet af partikler af opløst stof og danner en opløsning. Men hvis to stoffer har meget forskellige intermolekylære interaktioner, kræves der store mængder energi for at tvinge deres individuelle partikler til at blande intimt, så der ikke dannes en opløsning. Således er to alkaner som n-heptan, C7H16 og n-geksan, C6H14, fuldstændig blandbare i alle proportioner. C7H16-og C6H14-molekylerne er så ens (husk afsnit 4.6), at der kun er ubetydelige forskelle i intermolekylære kræfter.

af en lignende grund er methanol, CH3OH, fuldstændig blandbar med vand. I dette tilfælde er begge molekyler polære og kan danne hydrogenbindinger indbyrdes, og der er derfor stærke intermolekylære attraktioner inden for hver væske. Imidlertid kan CH3OH-dipoler justeres med H2O-dipoler, og CH3OH-molekyler kan hydrogenbinding til H2O-molekyler, og attraktionerne blandt i modsætning til molekyler i opløsningen ligner dem blandt lignende molekyler i hver ren væske.

denne proces fører til en simpel tommelfingerregel: som opløses som. Opløsningsmidler, der er meget polære, opløser opløste stoffer, der er meget polære eller endda Ioniske. Opløsningsmidler, der er ikke-polære, vil opløse ikke-polære opløste stoffer. Således er vand, der er polært, et godt opløsningsmiddel til ioniske forbindelser og polære opløste stoffer som ethanol (C2H5OH). Vand opløser dog ikke ikke-polære opløste stoffer, såsom mange olier og fedtstoffer (figur \(\Sideindeks{1}\)).

figur \(\Sideindeks{1}\): et bægerglas holder vand med blåt madfarvestof (øvre væskelag) og et meget mere tæt perfluoroheptan (et fluorcarbon) lavere væskelag. De to væsker kan ikke blandes, og farvestoffet kan ikke opløses i fluorcarbon. En guldfisk og en krabbe er blevet introduceret i vandet. Guldfisken kan ikke trænge ind i det tætte fluorcarbon. Krabben flyder ved væskegrænsen, hvor kun dele af hans ben trænger ind i fluorcarbonvæsken og ikke er i stand til at synke ned i bunden af bægeret. Kvartmønter hviler på bunden af bægeret. Dyr blev reddet fra deres vanskeligheder, efter at billedet blev taget. Figur brugt med tilladelse fra Sbharris (Steven B. Harris)).

Vi bruger ordet opløseligt til at beskrive et opløst stof, der opløses i et bestemt opløsningsmiddel, og ordet uopløseligt for et opløst stof, der ikke opløses i et opløsningsmiddel. Således siger vi, at natriumchlorid er opløseligt i vand, men uopløseligt i geksan (C6H14). Hvis det opløste stof og opløsningsmidlet både er væsker og opløseligt i en hvilken som helst andel, bruger vi ordet blandbart og ordet blandbart, hvis de ikke er det.

eksempel \(\Sideindeks{1}\)

vand betragtes som et polært opløsningsmiddel. Hvilke stoffer skal opløses i vand?

  1. methanol (CH3OH)
  2. natriumsulfat (Na2SO4)
  3. octan (C8H18)

opløsning

fordi vand er polært, opløses stoffer, der er polære eller ioniske i det.

  1. på grund af OH-gruppen i methanol forventer vi, at dens molekyler er polære. Således forventer vi, at det er opløseligt i vand. Da både vand og methanol er væsker, kan ordet blandbart bruges i stedet for opløseligt.
  2. natriumsulfat er en ionisk forbindelse, så vi forventer, at den er opløselig i vand.
  3. ligesom andre carbonhydrider er oktan ikke-polært, så vi forventer, at det ikke ville være opløseligt i vand.

øvelse \(\Sideindeks{1}\)

toluen (C6H5CH3) anvendes i vid udstrækning i industrien som et ikke-polært opløsningsmiddel. Hvilke stoffer skal opløses i toluen?

  1. vand (H2O)
  2. natriumsulfat (Na2SO4)
  3. octan (C8H18)

svar

kun oktan.

eksempel \(\Sideindeks{2}\)

forudsige, hvilke af følgende forbindelser der vil være mest opløselige i vand:

  1. \(\underset {\tekst{Ethanol}} {\mathop {\tekst{CH}_{\tekst{3}} \ tekst{CH}_{\tekst{2}} \ tekst{OH}}}\,\)
  2. \(\underset{\text{Hexanol}}{\mathop{\text{CH}_{\text{3}}\text{CH}_{\text{2}}\text{CH}_{\text{2}}\text{CH}_{\text{2}}\text{CH}_{\text{2}}\text{CH}_{\text{2}}\text{OH}}}\,\)

opløsning

da ethanol indeholder en OH-gruppe, kan den hydrogenbinding til vand. Selvom det samme gælder for geksanol, findes OH-gruppen kun i den ene ende af et ret stort molekyle. Resten af molekylet kan forventes at opføre sig meget som om det var en ikke-polær Alkan. Dette stof bør således være meget mindre opløseligt end det første. Eksperimentelt finder vi, at ethanol er fuldstændig blandbar med vand, mens kun 0,6 g geksanol opløses i 100 g vand.

øvelse \(\Sideindeks{2}\)

ville I2 være mere opløselig i CCl4 eller H2O?

svar

I2 er ikke-polær. Af de to opløsningsmidler er CCl4 ikke-polær, og H2O er polær, så I2 forventes at være mere opløselig i CCl4.

Konceptanmeldelsesøvelser

  1. hvad får en løsning til at danne?
  2. Hvordan er udtrykket som opløses som relateret til løsninger?

svar

  1. opløsninger dannes, fordi et opløst stof og et opløsningsmiddel har lignende intermolekylære interaktioner.
  2. det betyder, at stoffer med lignende intermolekylære interaktioner opløses i hinanden.

Nøgleudtag

  • opløsninger dannes, fordi et opløst stof og et opløsningsmiddel oplever lignende intermolekylære interaktioner.

øvelser

  1. Definer løsning.

  2. giv flere eksempler på løsninger.

  3. Hvad er forskellen mellem et opløsningsmiddel og et opløst stof?

  4. kan en opløsning have mere end et opløst stof i det? Kan du give et eksempel?

  5. skal en opløsning være en væske? Giv flere eksempler til støtte for dit svar.

  6. giv mindst to eksempler på løsninger, der findes i menneskekroppen.

  7. hvilke stoffer vil sandsynligvis være opløselige i vand, et meget polært opløsningsmiddel?

    1. natriumnitrat (NaNO3)
    2. geksan (C6H14)
    3. isopropylalkohol
    4. bensene (C6H6)

  8. hvilke stoffer vil sandsynligvis være opløselige i toluen (C6H5CH3), et ikke-polært opløsningsmiddel?

    1. natriumnitrat (NaNO3)
    2. geksan (C6H14)
    3. isopropylalkohol (C6H6)

  9. opløseligheden af alkoholer i vand varierer med længden af carbonkæden. For eksempel er ethanol (CH3CH2OH) opløseligt i vand i ethvert forhold, mens kun 0.0008 mL heptanol (CH3CH2CH2CH2CH2CH2OH) opløses i 100 mL vand. Foreslå en forklaring på denne adfærd.

  10. Dimethylsulfoksid er en polær væske. Baseret på oplysningerne i øvelse 9, som tror du vil være mere opløselig i det—ethanol eller heptanol?

svar

  1. en homogen blanding

2. eddike, dekstrose IV, saltvand IV, kaffe, te, vin

  1. et opløsningsmiddel er størstedelen af en opløsning; et opløst stof er mindretalskomponenten i en løsning.

4. Ja. Koks eller Pepsi indeholder sukker, koffein og kulsyre som opløste stoffer.

  1. en opløsning behøver ikke at være flydende; luft er en gasformig opløsning, mens nogle legeringer er faste opløsninger (svarene vil variere).

6. Urin, plasma
    1. sandsynligvis opløselig
    2. sandsynligvis opløselig
    3. sandsynligvis ikke opløselig
    4. sandsynligvis ikke opløselig
    5. sandsynligvis ikke opløselig
  1. sandsynligvis ikke opløselig
  2. sandsynligvis opløselig
  3. sandsynligvis ikke opløselig
  4. sandsynligvis opløselig

9. Små alkoholmolekyler har stærke polære intermolekylære interaktioner, så de opløses i vand. I store alkoholmolekyler overvælder den ikke-polære ende den polære ende, så de opløses ikke særlig godt i vand.

10. Ethanol er et mindre molekyle. Det vil være mere opløseligt i vand end heptanol.

Author:
Filed Under: Articles

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.