Czym są mieszaniny?

Podział mieszanin

1. Jeżeli „gołym” okiem nie widać w mieszaninie podziału obecnych w niej składników, mieszanina jest jednorodna. Przykładami takich mieszanin są woda mineralna, perfumy i płyny zapachowe lub powietrze.
2. W przypadku, kiedy możliwe do rozróżnienia wzrokowego są składniki danej mieszaniny, mówimy o mieszaninach niejednorodnych. Takie mieszaniny nawet po długim wytrząsaniu czy mieszaniu wyraźnie posiadają różne warstwy.

Przykłady mieszanin niejednorodnych

Pierwszym z nich może być woda z olejem – wtedy jest to mieszanina dwóch cieczy, które nawet w trakcie wytrząsania nie łączą się ze sobą, a na powierzchni wody łatwo zaobserwować unoszące się krople oleju. Innym typem mieszaniny niejednorodnej jest sproszkowana kreda w wodzie. To ciało stałe wprowadzone do cieczy, które nie rozpuszcza się w niej. W wyniku mieszania powstaje natomiast zawiesina, która po pewnym czasie rozwarstwia się, a obecne cząstki kredy opadają na dno.

Roztwór

To szczególny rodzaj mieszanin, który składa się z co najmniej dwóch składników, z czego jeden nazywa się rozpuszczalnikiem, a inne – substancjami w nim rozpuszczonymi. W przypadku mieszania dwóch cieczy lub dwóch gazów rozpuszczalnik, inaczej nazywany fazą rozpraszającą, stanowi zazwyczaj ta substancja, której jest w roztworze więcej. Ta, której jest mniej, to substancja w nim rozpuszczona. Substancje rozpuszczone nazywa się również fazą rozproszoną i może być ich w roztworze więcej niż jedna. W takich przypadkach mówimy o roztworach wieloskładnikowych.

Powszechnie używane roztwory

Na co dzień najczęściej spotyka się roztwory różnych substancji w wodzie, ewentualnie w rozpuszczalnikach organicznych. W gospodarstwach domowych w różnych celach używa się na przykład:

• octu, czyli 10% roztworu kwasu octowego,
• do dezynfekcji ran służy nam woda utleniona, czyli 3% roztwór nadtlenku wodoru,
• do kawy czy płatków śniadaniowych często dodajemy kolejny roztwór – mleko.

Przykładami roztworów w innych stanach skupienia może być powietrze, będące mieszaniną głównie azotu, tlenu, pary wodnej i dwutlenku węgla oraz brąz – roztwór o stałym stanie skupienia zbudowany z miedzi oraz cyny. Ilość substancji rozpuszczonej w rozpuszczalniku decyduje o tym, do jakiego typu się go zalicza – czy jest on stężony, czy rozcieńczony.

Rodzaje roztworów

Istnieje kilka podziałów roztworów w zależności od rozważanych parametrów. Najważniejszym z nich jest podział na:

1. Roztwór nasycony, czyli taki, który został uzyskany w wyniku rozpuszczenia maksymalnej możliwej ilości substancji w rozpuszczalniku. Oznacza to, że w danych warunkach ciśnienia i temperatury nie jest możliwe rozpuszczenie żadnej większej ilości fazy rozproszonej.
2. Roztwór nienasycony to taki, w którego 100 gramach, w danej temperaturze i pod danym ciśnieniem, nadal można rozpuścić większe ilości substancji rozpuszczanej. Ilość obecnej w nim substancji wpływa natomiast na jego stężenie.

Wśród roztworów wyróżniamy również podział na:

1. Roztwór rozcieńczony to roztwór, w którym ilość rozpuszczalnika jest znacznie większa od ilości substancji rozpuszczonej. Zazwyczaj są to roztwory o stężeniu kilkuprocentowym.
2. Roztwór stężony to taki roztwór, w którym ilość substancji fazy rozproszonej w stosunku do fazy rozpraszającej wynosi kilkadziesiąt procent.
3. Roztwór przesycony to specyficzny układ, w którym znajduje się dodatkowa, niemożliwa do rozpuszczenia w danych warunkach ciśnienia i temperatury ilość substancji. Ten typ roztworu można w łatwy sposób uzyskać poprzez ostrożne ochładzanie roztworu nasyconego. Takie roztwory charakteryzują się wysoką niestabilnością, a układ można zaburzyć nawet poprzez silniejsze wstrząśnięcie lub wrzucenie dodatkowego kryształku substancji, co skutkuje całkowitym wykrystalizowaniem nadmiaru substancji i przejściem roztworu w stan nasycony.

W celu zwiększenia nasycenia roztworu można wykorzystać kilka metod – zwiększyć ilość substancji rozpuszczanej, odparować jakąś część rozpuszczalnika, a w przypadku ciał stałych podnoszenie nasycenia odbywa się również w wyniku obniżenia temperatury.

W odwrotnej sytuacji, aby zmniejszyć nasycenie roztworu, najłatwiejszym sposobem jest dodanie większej ilości rozpuszczalnika do układu lub w przypadku ciał stałych, podwyższenie temperatury roztworu. Manewry temperaturowe są skuteczne w przypadku układów ciecz-ciało stałe, gdyż bezpośrednio wpływają na rozpuszczalność substancji w fazie rozpraszającej.

Rozpuszczalność

Podstawowym warunkiem powstania roztworu, czyli mieszaniny optycznie jednorodnej jest wystąpienie procesu nazywanego rozpuszczaniem. Polega on na przechodzeniu cząsteczek substancji do roztworu. Odwrotnym do tego procesem jest tworzenie stałej fazy krystalicznej, czyli krystalizacja substancji.

Każda substancja charakteryzuje się specyficzną dla siebie szybkością i efektywnością rozpuszczania. Możemy powiedzieć, że jedna substancja jest bardzo dobrze rozpuszczalna np. w wodzie, a inna bardzo słabo się w niej rozpuszcza.

Rozpuszczalnością nazywamy natomiast ilość gramów substancji, którą należy rozpuścić, aby otrzymać roztwór nasycony z użyciem 100 gramów rozpuszczalnika, w danych warunkach ciśnienia i temperatury. Szybkość rozpuszczania się danej substancji zależy nie tylko od rodzaju rozpuszczalnika, ale również od:

1. temperatury, gdyż im wyższa temperatura, tym większa energia cząsteczek, która z kolei powoduje coraz częstsze ich zderzanie;
2. mieszania mechanicznego, które ułatwia mieszanie się cząsteczek;
3. rozdrobnienia substancji rozpuszczonej, bo im większe rozdrobnienie, tym łatwiejsze wnikanie cząstek rozpuszczalnika pomiędzy rozpuszczającą się substancję.

Znajomość pojęć rozpuszczalności czy poziomu nasycenia roztworów pozwala na rozwiązywanie prostych obliczeń ułatwiających codzienną pracę każdego chemika. Rozpuszczalność wielu substancji można odczytać z obecnych w książkach krzywych rozpuszczalności, które przedstawiają zależność ilości gramów substancji od temperatury.

Przykłady zadań chemicznych, w których konieczne jest wykorzystanie pojęcia rozpuszczalności

Zadanie 1.

Rozpuszczalność substancji X w wodzie w danej temperaturze wynosi
45 g. Oblicz, ile gramów rozpuszczalnika znajduje się w 600 g nasyconego roztworu.

Wiemy, że rozpuszczalność wynosi 45 g, co oznacza, że 45 g substancji rozpuszcza się w 100 g wody, w wyniku czego powstaje roztwór nasycony. Masę roztworu stanowi masa substancji i masa obecnego rozpuszczalnika, a więc:

m_roztworu = 45 g + 100 g = 145 g

Dzięki tej wiedzy możemy ułożyć proporcję:

145 g roztworu – 100 g wody

600 g roztworu – m g wody

Zadanie 2.

Oblicz, ile gramów chlorku amonu należy dodatkowo rozpuścić w 100 g wody, jeżeli ogrzejemy roztwór z 50 ^oC do 80 ^oC, żeby roztwór nadal pozostawał nasycony.

Z krzywej rozpuszczalności chlorku amonu w wodzie można odczytać następujące dane:

1. Rozpuszczalność w temperaturze 50 ^oC wynosi około 48 g.
2. Rozpuszczalność w temperaturze 80 ^oC wynosi około 64 g.

Ponieważ pojęcie rozpuszczalności odnosi się do ilości substancji rozpuszczonej w 100 g wody, łatwo obliczyć, że w celu utrzymania nasyconego roztworu należy dodatkowo rozpuścić:

64 g – 48 g = 16 g NH₄Cl

Zadanie 3.

Jaki roztwór powstanie, jeżeli w temperaturze 60 ^oC przygotujemy roztwór składający się ze 100 g wody oraz 50 g chlorku amonu?

Korzystając z krzywej rozpuszczalności, wiemy, że w 60^oC rozpuszczalność chlorku amonu wynosi: R = 55 g. Oznacza to, że po dodaniu do 100 g wody 50 g chlorku amonu w tej temperaturze mogłoby się rozpuścić jeszcze dodatkowych 5 g. Tak przygotowany roztwór jest więc nienasycony.