Složení a vlastnosti roztoku a jejich význam

Úvod
Látky kolem nás rozdělujeme na chemicky čisté látky (chemická individua – prvky a sloučeniny) a směsi. Směs je látka tvořená z několika různých chemicky čistých látek (z různých druhů částic). Směsi rozlišujeme podle velikostí částic na: Homogenní – obsahují pouze částice menší než 10-9 m, např. roztoky Koloidní – obsahují rozptýlené částice o velikosti 10-7 až 10-9 m, např. koloidní roztoky čili jemně disperzní soustavy (molekuly organických látek nebo shluky anorganických molekul rozptýlené v kapalině – bílkoviny ve vodě, vaječný bílek) nebo aerosoly (mlha – kapičky kapaliny rozptýlené v plynu, dým – částečky pevné látky v plynu a kouř – kombinace obojího) Heterogenní – obsahují rozptýlené částice větší než 10-7 m, např. pěna (bubliny plynu rozptýlené v kapalině)
Roztok je homogenní směs dvou nebo více látek. Děj, v jehož průběhu roztoky vznikají, se nazývá rozpouštění a dochází při něm k promísení látek na molekulární úrovni. Při mísení často vznikají nová uskupení neboli asociáty, tvořené s molekulami (případně jinými částicemi) rozpouštědla a rozpuštěné látky. Tato uskupení mohou být různě pevná. Ačkoliv se rozpuštěné látky v rozpouštědle mnohdy štěpí, s rozpouštědlem chemicky nereagují. Rozpouštědlo nebo rozpuštěnou látku je tedy možné z roztoku zase odstranit fyzikální cestou (destilace, odstředění apod.).
Roztoky se nazývají podle rozpouštědla. První část názvu tvoří přídavné jméno odvozené od názvu rozpouštědla se slovem roztok. Druhou část tvoří název rozpouštěné látky (látek) v druhém pádu. Například vodný roztok chloridu sodného.
Dělení roztoků
Podle skupenství rozlišujeme roztoky pevné (např. slitiny kovů, př. mosaz je slitina mědi a zinku), kapalné (např. cukr, sůl nebo kyslík rozpuštěný ve vodě) a plynné (např. vzduch).
Další dělení je na roztoky elektrolytů a roztoky neelektrolytů.
Roztoky neelektrolytů vznikají při rozpouštění látek, jejichž molekuly obsahují pouze nepolární nebo slabě polární kovalentní vazby a přecházejí do roztoku jako celek. V roztoku jsou obklopeny molekulami rozpouštědla a vzájemně na sebe působí slabými van der Waalsovými silami. Vzniklé roztoky nevedou elektrický proud. Do této skupiny patří např. roztok jodu v chloridu uhličitém nebo roztok glukózy ve vodě.
Roztoky pravých elektrolytů vznikají při rozpouštění iontových látek v polárních rozpouštědlech. Při jejich rozpouštění dochází k vytrhávání jednotlivých iontů ze struktury krystalu molekulami rozpouštědla. Vzniklý roztok obsahuje volně pohyblivé, elektricky
nabité částice, a je proto elektricky vodivý.
Elektricky vodivé roztoky vznikají také při rozpouštění sloučenin, v jejichž molekulách se vyskytuje polárně kovalentní vazba. Jejich molekuly mohou být molekulami polárního rozpouštědla roztrženy a vzniklé ionty se pak rozptýlí mezi molekulami rozpouštědla. Látky tohoto druhu se označují jako potenciální elektrolyty.
Rozpouštědla
Rozpouštědlo (solvent) je označení pro látku se schopností rozpouštět (rovnoměrně v sobě rozptýlit či dokonce disociovat částice jiných látek) látky. Za rozpouštědlo bývá často považována ta látka, která je v soustavě v nadbytku. V případě různých skupenství je za rozpouštědlo považována většinou kapalina – velmi často se jedná o vodu.
Rozpouštědlo se podle charakteru se dělí na: pravé (aktivní) rozpouštědlo – přímo rozpouští určitou látku nepravé (latentní) rozpouštědlo – samotné látku nerozpouští, ale je schopné ji rozpouštět ve směsi s pravými rozpouštědly ředidlo – je určeno k dodatečnému ředění nátěrových hmot před jejich použitím
Nepolární látky se dobře rozpouštějí v nepolárních rozpouštědlech (většinou organické látky např. benzen, hexen, dichlormethan). Polární látky naopak rozpouštějí polární rozpouštědla. Polární rozpouštědla se dále dělí na protická (mají v sobě odštěpitelný proton nebo v nich probíhají proteolytické reakce, např. alkoholy, kapalný amoniak, bezvodá kyselina sírová) a aprotická (protony neodštěpují; patří mezi ně rozpouštědla bazická schopná vázat proton nebo inertní, která proton nemohou štěpit ani vázat; používají se k odstraňování nečistot z roztavených kovů, např. aceton, dioxan nebo chlorid uhličitý).
Složení roztoků a veličiny, které ho popisují
Látky podle vzájemné mísitelnosti rozdělujeme na látky neomezeně mísitelné, látky omezeně mísitelné a nemísitelné.
Neomezeně mísitelné látky vytvářejí homogenní směs bez ohledu na to, v jakém poměru je smísíme. Patří mezi ně všechny plynné látky a taky některé kapaliny. Příkladem je soustava vzniklá smísením ethanolu s vodou nebo ethanolu s methanolem.
Omezeně mísitelné látky tvoří homogenní směs jen v určitém rozsahu vzájemných poměrů. Do této oblasti patří většina soustav vzniklých smísením pevných a kapalných látek. Vniklé roztoky mohou být nenasycené nebo nasycené.
V nenasyceném roztoku se za daných podmínek rozpustí ještě další množství rozpouštěné složky.
Nasycený roztok je takový roztok, který již není schopen rozpustit další látky. Poměr pro
nasycení roztoku mezi rozpouštědlem a rozpouštěnou látkou je závislý na teplotě a tlaku prostředí – tedy není stabilní. U většiny pevných látek s rostoucí teplotou roste (k pevným látkám, kde naopak klesá, patří např. hydroxid vápenatý), čehož se využívá při výrobě krystalických látek, kdy se připraví nasycený roztok o co nejvyšší teplotě (ideálně 100 °C), ochladí se a vyloučí se krystaly. U plynů s rostoucí teplotou klesá a s rostoucím tlakem roste, např. v teplejší vodě se může rozpustit méně kyslíku, nebo aby se mohlo v šumivých nápojích rozpustit více CO2, stlačuje se (při otevírání lahví pak dojde k prudkému poklesu tlaku a CO2 se prudce uvolňuje).
Nemísitelné látky jsou vzájemně nerozpustné. Příkladem takových látek je olej a voda. Pokud rozmícháme olej ve vodě a pak necháme soustavu v klidu, olej se od vody oddělí a vytvoří vrstvu na jejím povrchu. Je nutné si uvědomit, že naprosto nemísitelné látky neexistují (množství vody, které zůstane po promíchání rozpuštěné v olej a naopak, je však velmi malé).
Vzájemnou mísitelnost látek lze charakterizovat rozpustností. Rozpustnost určité látky v daném rozpouštědle se udává v gramech látky na 100 gramů rozpouštědla (někdy se nesprávně udávají gramy látky na 100 ml či gramy na 1 litr rozpouštědla), která se rozpustila za vzniku nasyceného roztoku.
Složení roztoků lze vyjádřit několika různými způsoby: hmotnostním zlomkem, objemovým zlomkem, látkovou koncentrací či hmotnostní koncentrací.
Hmotnostní (objemový) zlomek látky A v roztoku ⨀ je definován jako podíl hmotnosti (objemu) látky A ku celkové hmotnosti (celkovému objemu). Jedná se o bezrozměrné veličiny, vynásobením stem je převedeme na hmotnostní (objemové) procento.
Látková koncentrace látky A v roztoku ⨀ je definována jako podíl látkového množství látky A v celkovém objemu roztoku. Hmotnostní koncentrace látky A v roztoku ⨀ je definována jako podíl hmotnosti látky A v celkovém objemu roztoku. Uvádí se v mol×dm-3, respektive g×dm-3.
Příklady
Kolik gramů 25% roztoku lze připravit ze 40 g KOH. Kolik mililitrů vody budeme k přípravě
potřebovat?
Ve 160 cm3 roztoku vody a acetonu je 40 cm3 acetonu. Vyjádřete složení směsi v objemových zlomcích acetonu a vody.
Kolik gramů kyseliny mravenčí obsahuje 200 ml vodného roztoku o koncentraci 0,25 mol×dm-3? M(HCOOH) = 46 g×mol-1
?
Vypočítejte hmotnostní zlomek roztoku chloridu draselného, jehož c(KCl) = 2,7 mol×dm-3. Hustota roztoku 1,1185 g×cm-3. M(KCl) = 75,55 g×mol-1
Kolik gramů vody je třeba přidat k roztoku, který obsahuje 250 g 65%ní kyseliny dusičné a 90
g 15%ní kyseliny dusičné, aby vznikl 25%ní roztok?
,
,
Voda: