Roztwory
Stężenia roztworów — procentowe i molowe
Mol, masa molowa i obliczenia stechiometryczne
Mol jest jednostką liczności materii. Jeden mol zawiera dokładnie 6,02214076×10²³ obiektów elementarnych. Masa molowa łączy liczbę moli z masą próbki, a współczynniki równania reakcji określają stosunki molowe reagentów.
W zadaniach najbezpieczniej przeliczyć dane na mole, zastosować stosunek stechiometryczny, a następnie przejść do szukanej masy, objętości lub liczby cząstek. Jednostki powinny skracać się w każdym kroku.
Wydajność porównuje ilość produktu rzeczywiście otrzymaną z ilością teoretyczną. Reagent ograniczający jest zużywany jako pierwszy i to jego ilość wyznacza maksymalną ilość produktu.
Dla gazu doskonałego równanie pV=nRT łączy ciśnienie, objętość, temperaturę bezwzględną i liczbę moli. Temperaturę należy podawać w kelwinach, a jednostki R dopasować do pozostałych wielkości.
n = m/M; N = n·Nₐ; pV = nRT; η = mᵣ/mₜ · 100%
- n=m/M; N=nNₐ; pV=nRT.
- Współczynniki równania odnoszą się do moli, nie do mas.
- Wydajność η=(ilość rzeczywista/ilość teoretyczna)×100%.
- Wzór empiryczny podaje najprostszy stosunek atomów, rzeczywisty — faktyczną liczbę atomów.
Schemat: Mol, masa molowa i obliczenia stechiometryczne
Kolejne etapy procesu wraz z kierunkiem zmian.
Podstawa programowa: V.1
Roztwory, stężenia i rozpuszczalność
Stężenie molowe c=n/V opisuje liczbę moli substancji w objętości roztworu. Stężenie procentowe masowe to udział masy substancji w masie roztworu pomnożony przez 100%.
Podczas rozcieńczania liczba moli substancji rozpuszczonej pozostaje stała, jeśli nic nie reaguje ani nie jest usuwane, dlatego c₁V₁=c₂V₂.
Rozpuszczalność jest maksymalną ilością substancji rozpuszczającej się w określonej ilości rozpuszczalnika i temperaturze. Roztwór przesycony może krystalizować po dodaniu zarodka lub zmianie warunków.
c=n/V; Cp=m_s/m_roztw·100%; c₁V₁=c₂V₂
- Objętości nie zawsze są addytywne po zmieszaniu.
- Masa roztworu = masa substancji + masa rozpuszczalnika.
- Dla większości ciał stałych rozpuszczalność rośnie z temperaturą, ale nie jest to reguła absolutna.
- Rozpuszczalność gazów zwykle maleje z temperaturą i rośnie z ciśnieniem.
Schemat: Roztwory, stężenia i rozpuszczalność
Zależność między zmiennymi i jej interpretacja.
Podstawa programowa: V.2
Związki organiczne zawierające tlen
Grupa hydroksylowa zwiększa polarność i zdolność tworzenia wiązań wodorowych. Alkohole reagują m.in. z aktywnymi metalami, ulegają utlenianiu, odwodnieniu i estryfikacji; fenole są bardziej kwasowe dzięki stabilizacji anionu fenolanowego.
Aldehydy mają grupę karbonylową na końcu łańcucha i łatwo utleniają się do kwasów, dając dodatnie próby Tollensa lub Trommera. Ketony w typowych warunkach nie dają tych prób.
Kwasy karboksylowe dysocjują słabo, reagują z zasadami, metalami aktywnymi i wodorowęglanami. Estry powstają w odwracalnej estryfikacji kwasu z alkoholem i mogą ulegać hydrolizie kwasowej lub zasadowej.
- Alkohol I-rzędowy → aldehyd → kwas; II-rzędowy → keton.
- Fenol reaguje z NaOH, ale typowy alkohol nie.
- Estryfikację przesuwa usuwanie wody lub nadmiar reagenta.
- Hydroliza zasadowa estru prowadzi do anionu karboksylanowego i jest praktycznie nieodwracalna.
Schemat: Związki organiczne zawierające tlen
Budowa cząsteczki połączona z jej właściwościami.
Podstawa programowa: V.3
Najczęstsze błędy
„Mol jest jednostką masy”
Poprawnie: Mol opisuje liczbę obiektów; masa zależy od masy molowej substancji.
„Największa masa substratu oznacza reagent w nadmiarze”
Poprawnie: O nadmiarze decyduje liczba moli odniesiona do współczynników stechiometrycznych.
„Do równania Clapeyrona można wstawić temperaturę w °C”
Poprawnie: Należy użyć temperatury bezwzględnej T=t+273,15 K.
„10% roztwór oznacza 10 g substancji w 100 g wody”
Poprawnie: Oznacza 10 g substancji w 100 g roztworu, czyli zwykle 90 g wody.
Zadania z odpowiedziami
1. Obliczenie masy produktu
Ile gramów H₂O powstanie ze spalenia 4 mol H₂ przy nadmiarze O₂?
- 1.Zapisz 2H₂+O₂→2H₂O.
- 2.Odczytaj stosunek molowy H₂:H₂O=1:1.
- 3.Oblicz n(H₂O)=4 mol i pomnóż przez M(H₂O)=18 g/mol.
Odpowiedź
m(H₂O)=4 mol×18 g/mol=72 g.
2. Reagent ograniczający
Zmieszano 2 mol N₂ i 4 mol H₂. Wskaż reagent ograniczający w reakcji N₂+3H₂→2NH₃.
- 1.Dla 2 mol N₂ potrzeba 6 mol H₂.
- 2.Dostępne są tylko 4 mol H₂.
- 3.Oblicz produkt z ilości H₂.
Odpowiedź
Reagentem ograniczającym jest H₂. Z 4 mol H₂ może powstać 8/3 mol NH₃.
3. Rozcieńczanie
Ile wody dodać do 100 cm³ roztworu 2,0 mol/dm³, aby otrzymać 0,50 mol/dm³?
- 1.Użyj c₁V₁=c₂V₂.
- 2.Oblicz V₂=400 cm³.
- 3.Odejmij objętość początkową.
Odpowiedź
Należy otrzymać 400 cm³ roztworu, więc dodać w przybliżeniu 300 cm³ wody.
4. Rozróżnianie aldehydu i ketonu
Zaproponuj próbę rozróżniającą etanal i propanon.
- 1.Dodaj odczynnik Tollensa do oddzielnych próbek.
- 2.Ogrzej łagodnie.
- 3.Obserwuj lustro srebrne dla aldehydu.
Odpowiedź
Etanal daje dodatnią próbę Tollensa, propanon nie reaguje w tych warunkach.
Podsumowanie
- Współczynniki równania odnoszą się do moli, nie do mas.
- Mol jest jednostką liczności materii. Jeden mol zawiera dokładnie 6,02214076×10²³ obiektów elementarnych. Masa molowa łączy liczbę moli z masą próbki, a współczynniki równania reakcji określają stosunki molowe reagentów.
- Objętości nie zawsze są addytywne po zmieszaniu.
- Masa roztworu = masa substancji + masa rozpuszczalnika.
- Stężenie molowe c=n/V opisuje liczbę moli substancji w objętości roztworu. Stężenie procentowe masowe to udział masy substancji w masie roztworu pomnożony przez 100%.
- Alkohol I-rzędowy → aldehyd → kwas; II-rzędowy → keton.
- Fenol reaguje z NaOH, ale typowy alkohol nie.
Słownik pojęć
- Mol
- Jednostka liczności materii zawierająca stałą Avogadra obiektów.
- Reagent ograniczający
- Substrat zużywany jako pierwszy, wyznaczający ilość produktu.
- Wydajność
- Stosunek ilości produktu rzeczywistego do teoretycznego.
- Roztwór nasycony
- Roztwór w równowadze z nierozpuszczoną substancją w danych warunkach.
- Stężenie molowe
- Liczba moli substancji w 1 dm³ roztworu.
- Krystalizacja
- Wydzielanie uporządkowanej fazy stałej z roztworu lub stopu.
- Grupa karbonylowa
- Grupa C=O obecna m.in. w aldehydach i ketonach.
- Estryfikacja
- Odwracalna reakcja kwasu karboksylowego z alkoholem.