Lernziele
Am Ende dieses Abschnitts können Sie:
- Beschreiben Sie die grundlegenden Eigenschaften von Lösungen und wie sie sich bilden
- Vorhersage, ob ein gegebenes Gemisch eine Lösung liefert, die auf molekularen Eigenschaften ihrer Komponenten basiert
- Erklären Sie, warum einige Lösungen entweder Wärme produzieren oder absorbieren, wenn sie sich bilden
Ein früheres Kapitel dieses Textes eingeführtLösungen, definiert als homogene Gemische von zwei oder mehr Substanzen.Oft ist eine Komponente einer Lösung in einer signifikant größeren Konzentration vorhanden. In diesem Fall wird sie als die genanntLösungsmittel.Die anderen Komponenten der in relativ geringeren Konzentrationen vorhandenen Lösung werden genanntgelöste Stoffe.Zucker ist ein kovalenter Feststoff, der aus Saccharosemolekülen besteht, C.12H22Ö11.Wenn sich diese Verbindung in Wasser auflöst, werden ihre Moleküle gleichmäßig auf die Wassermoleküle verteilt:
Das Index “aq”In der Gleichung bedeutet, dass die Saccharosemoleküle Stoffe sind und daher sindindividuell verteiltim gesamtenwässrige Lösung(Wasser ist das Lösungsmittel).Obwohl Saccharosemoleküle schwerer sind als Wassermoleküle, bleiben sie während der gesamten Lösung verteilt.Die Schwerkraft führt nicht dazu, dass sie sich im Laufe der Zeit „absetzen“.
Kaliumdichromat, k2Cr2Ö7, ist eine ionische Verbindung, die aus farblosen Kaliumionen besteht, k+und orange Dichromationen,Wenn in Wasser eine geringe Menge fester Kalium -Dichromat zugesetzt wird, löst sich die Verbindung auf und dissoziiert Kaliumionen und Dichromationen gleichmäßig über das Gemisch verteilt (DichromaterionenAbbildung 11.2), wie in dieser Gleichung angegeben:
Wie bei der Mischung aus Zucker und Wasser ist diese Mischung auch eine wässrige Lösung.Seine Stoffe, Kalium- und Dichromationen, bleiben einzeln unter den Lösungsmittelmolekülen (Wasser-) Moleküle verteilt.
Figur11.2 Wenn Kalium -Dichromat (k)2Cr2Ö7) wird mit Wasser gemischt, es bildet eine homogene orange Lösung.(Kredit: Änderung der Arbeit durch Mark OTT)
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Besuchen Sie dasvirtuelles LaborSimulationen der Auflösung von gemeinsamen kovalenten und ionischen Substanzen (Zucker und Salz) in Wasser zu sehen.
Wasser wird so oft als Lösungsmittel verwendet, dass die Wortlösung viele Menschen eine wässrige Lösung impliziert.Fast jedes Gas, Flüssigkeit oder Feststoff kann jedoch als Lösungsmittel wirken.VieleLegierungensind feste Lösungen eines in einem anderen gelösten Metalls;Zum Beispiel enthalten US-Fünf-Cent-Münzen einen in Kupfer gelösten Nickel.Luft ist eine gasförmige Lösung, eine homogene Mischung aus Stickstoff, Sauerstoff und mehreren anderen Gasen.Sauerstoff (ein Gas), Alkohol (eine Flüssigkeit) und Zucker (ein Feststoff) lösen alle in Wasser (eine Flüssigkeit), um flüssige Lösungen zu bilden.Tabelle 11.1gibt Beispiele für verschiedene Lösungen und die Phasen der gelösten Stoffe und Lösungsmittel.
Verschiedene Arten von Lösungen
| Lösung | Gelöst | Lösungsmittel |
|---|---|---|
| Luft | Ö2(G) | N2(G) |
| alkoholfreie Getränke1 | CO2(G) | H2Ö(l) |
| Wasserstoff in Palladium | H2(G) | PD (S) |
| Alkohol reiben | H2Ö(l) | C3H8Ö(l) (2-Propanol) |
| Salzwasser | NaCl (S) | H2Ö(l) |
| Messing | Zn (S) | Cu (S) |
Tisch 11.1
Lösungen zeigen diese definierenden Merkmale:
- Sie sind homogen;Nachdem eine Lösung gemischt ist, hat sie überall die gleiche Zusammensetzung (ihre Zusammensetzung ist einheitlich).
- Der physikalische Zustand einer Lösung - Solid, Flüssigkeit oder Gas - entspricht typischerweise dem des Lösungsmittels, wie aus den Beispielen in den Beispielen gezeigt wirdTabelle 11.1.
- Die Komponenten einer Lösung werden im molekularen Maßstab verteilt;Sie bestehen aus einer Mischung aus getrennten Partikeln gelösten, die jeweils eng von Lösungsmittelspezies umgeben sind.
- Der gelöste gelöste gelöste in einer Lösung wird sich nicht vom Lösungsmittel absetzen oder getrennt.
- Die Zusammensetzung einer Lösung oder die Konzentrationen ihrer Komponenten kann kontinuierlich variiert werden (innerhalb von Grenzen, die durch die bestimmt werdenLöslichkeitder Komponenten, die später in diesem Kapitel ausführlich erörtert werden).
Die Bildung von Lösungen
Die Bildung einer Lösung ist ein Beispiel für aSpontaner Prozess, ein Prozess, der unter bestimmten Bedingungen ohne Energie aus einer externen Quelle auftritt.Manchmal wird eine Mischung gerührt, um den Auflösungsprozess zu beschleunigen, dies ist jedoch nicht erforderlich.Eine homogene Lösung wird sich irgendwann bilden.Das Thema Spontanität ist für die Untersuchung der chemischen Thermodynamik von entscheidender Bedeutung und wird in einem späteren Kapitel dieses Textes gründlicher behandelt.Für die Diskussion dieses Kapitels reicht es aus, zwei Kriterien zu berücksichtigen, diefavorisieren, aber garantieren Sie nicht die spontane Bildung einer Lösung:
- Eine Abnahme der internen Energie des Systems (eine exotherme Änderung, wie im vorherigen Kapitel über die Thermochemie erläutert)
- eine erhöhte Ausbreitung der Materie im System (was auf eine Zunahme der Anstieg derEntropiedes Systems, wie Sie im späteren Kapitel über die Thermodynamik erfahren werden)
Bei der Auflösung tritt häufig eine interne Energieänderung auf, aber nicht immer, wenn Wärme absorbiert oder weiterentwickelt wird.Eine Zunahme der Materieverteilung ergibt immer, wenn sich eine Lösung aus der gleichmäßigen Verteilung von gelösten Molekülen in einem Lösungsmittel enthält.
Wenn die Stärken der intermolekularen Anziehungskräfte zwischen gelösten Stoff- und Lösungsmittelspezies in einer Lösung nicht von denen unterscheiden, die in den getrennten Komponenten vorhanden sind, wird die Lösung ohne zugehörige Energieänderung gebildet.Eine solche Lösung wird als als bezeichnetIdeale Lösung.Eine Mischung aus idealen Gasen (oder Gasen wie Helium und Argon, die sich eng an das ideale Verhalten nähern) ist ein Beispiel für eine ideale Lösung, da die Entitäten, die diese Gase umfassen, keine signifikanten intermolekularen Anziehungen aufweist.
Wenn Behälter von Helium und Argon angeschlossen sind, mischen sich die Gase aufgrund der Diffusion spontan und bilden eine Lösung (bilden eine Lösung (Abbildung 11.3).Die Bildung dieser Lösung beinhaltet eindeutig eine Zunahme der Materieverbreitung, da die Helium- und Argonatome ein Volumen einnehmen, das doppelt so groß ist wie das, was jeweils vor dem Mischen besetzt ist.
Figur11.3 Proben von Helium und Argon mischen sich spontan, um eine Lösung zu ergeben.
Ideale Lösungen können sich auch bilden, wenn strukturell ähnliche Flüssigkeiten gemischt werden.Zum Beispiel Gemische des Alkohols Methanol (CH3OH) und Ethanol (C.2H5OH) Bilden Sie ideale Lösungen, ebenso wie Gemische des Kohlenwasserstoffs Pentan, C.5H12und Hexan, c6H14.Platzierung von Methanol und Ethanol oder Pentan und Hexan in die in den gezeigten Zwiebeln inAbbildung 11.3führt zu der gleichen Diffusion und anschließenden Mischung dieser Flüssigkeiten, wie für die HE- und AR -Gase (obwohl es viel langsamer) beobachtet wird, was zu Lösungen ohne signifikante Energieänderung führt.Im Gegensatz zu einer Mischung von Gasen erleben die Komponenten dieser flüssigen Lösungen jedoch tatsächlich intermolekulare attraktive Kräfte.Da die Moleküle der beiden Mischungen strukturell sehr ähnlich sind, sind die intermolekularen attraktiven Kräfte zwischen ähnlichen und im Gegensatz zu Molekülen im Wesentlichen gleich, und der Auflösungsprozess bedeutet daher keinen nennenswerten Anstieg oder Abnahme der Energie.Diese Beispiele veranschaulichen, wie eine erhöhte Verbreitung von Materien allein die treibende Kraft liefern kann, die erforderlich ist, um die spontane Bildung einer Lösung zu verursachen.In einigen Fällen können die relativen Größen der intermolekularen Anziehungskräfte zwischen gelösten und Lösungsmittelspezies die Auflösung verhindern.
Drei Arten intermolekularer attraktiver Kräfte sind für den Auflösungsprozess relevant: gelöste, lösungsmittellöslich und gelöste gelöste gelöste.Wie inAbbildung 11.4Die Bildung einer Lösung kann als schrittweise Prozess angesehen werden, bei dem Energie verbraucht wird, um gelöste und lösungsmittellösliche Attraktionen (endotherme Prozesse) zu überwinden, und freigegeben, wenn die Attraktionen von gelösten Lösungsmitteln festgelegt werden (ein exothermer Prozess, der als als als bezeichnet bezeichnet wirdSolvation).Die relativen Größen der Energieänderungen, die mit diesen schrittweisen Prozessen verbunden sind, bestimmen, ob der Auflösungsprozess insgesamt Energie freigesetzt oder absorbiert.In einigen Fällen bilden sich keine Lösungen, da die Energie, die zum Trennen von Stoff- und Lösungsmittelspezies erforderlich ist, so viel größer ist als die durch Solvatation freigesetzte Energie.
Figur11.4 Diese schematische Darstellung der Auflösung zeigt einen schrittweisen Prozess, der die endotherme Trennung von gelösten und Lösungsmittelspezies (Schritte 1 und 2) und exotherme Solvatation (Schritt 3) umfasst.
Betrachten Sie das Beispiel einer ionischen Verbindung, die sich in Wasser auflöst.Die Bildung der Lösung erfordert, dass die elektrostatischen Kräfte zwischen den Kationen und Anionen der Verbindung (gelöster Lolute) vollständig überwunden werden, da zwischen diesen Ionen und Wassermolekülen (gelöster Lösungsmittel) attraktive Kräfte festgelegt werden.Die Wasserstoffbrücke zwischen einem relativ geringen Teil der Wassermoleküle muss ebenfalls überwunden werden, um einen gelösten gelösten gelösten gelösten Stoff aufzunehmen.Wenn die elektrostatischen Kräfte des gelösten Stoffe signifikant größer sind als die Solvatationskräfte, ist der Auflösungsprozess signifikant endotherm und die Verbindung löst sich möglicherweise nicht in misstrauischem Maße auf.Calciumcarbonat, der Hauptbestandteil von Korallenriffen, ist ein Beispiel für eine solche „unlösliche“ ionische Verbindung (sieheAbbildung 11.1).Andererseits ist die Auflösung erheblich exotherm und die Verbindung kann stark löslich sein, wenn die Solvatationskräfte viel stärker sind als die elektrostatischen Kräfte der Verbindung.Häufiger Beispiel für diese Art von ionischer Verbindung ist Natriumhydroxid, allgemein bekannt als Lauge.
Wie zu Beginn dieses Moduls erwähnt, wird durch exotherme Auflösungsprozesse eine spontane Lösungsbildung bevorzugt, aber nicht garantiert.Während viele lösliche Verbindungen tatsächlich mit der Freisetzung von Wärme auflösen, lösten sich einige endotherm auf.Ammoniumnitrat (NH4NEIN3) ist ein solches Beispiel und wird verwendet, um sofortige kalte Packungen zu machen, wie das in abgebildete inAbbildung 11.5, die zur Behandlung von Verletzungen verwendet werden.Eine dünnwandige Plastiktüte Wasser ist in einem größeren Beutel mit festem NH versiegelt4NEIN3.Wenn der kleinere Beutel kaputt ist, eine Lösung von NH4NEIN3Formen, die Wärme aus der Umgebung (der verletzte Bereich, auf den die Packung aufgetragen wird) absorbiert und eine kalte Kompresse liefert, die die Schwellung verringert.Endotherme Entlösungen wie diese erfordern einen größeren Energieeintrag, um die gelösten Spezies zu trennen, als wenn die gelösten gelösten Stoffe gelöst werden. Sie sind jedoch aufgrund der Zunahme der Störung, die die Bildung der Lösung einhergeht, spontan.
Figur11.5 Ein sofortiger Kaltpack wird kalt, wenn bestimmte Salze wie Ammoniumnitrat, ein endothermes Prozess - in Wasser auflösen.
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Sehen Sie sich diesen Auftrag anVideoVeranschaulichung von endothermen und exothermen Auflösungsprozessen.