הרצאה 7 תמיסות

Transcription

הרצאה 7 תמיסות
‫תמיסות‬
‫הגדרה של תמיסות‬
‫תמיסה‪ -‬תערובת הומוגנית )אחידה( של שניים או יותר חומרים‪.‬‬
‫לתמיסה תכונות אחידות‪ .‬תמיסה יכולה להיות בכל מצב צבירה‪.‬‬
‫אוויר‪ -‬תמיסה במצב צבירה גזי‪.‬‬
‫ארד )ברונזה(‪ -‬תמיסה במצב צבירה מוצק )כל הסגסוגות(‪.‬‬
‫מי ים‪ -‬תמיסה במצב צבירה נוזלי הכוללת מספר רב של רכיבים‪.‬‬
‫תכונות של תמיסות‬
‫• החלקיקים המומסים הינם בגודל של מולקולות בודדות או‬
‫יונים בודדים‪.‬‬
‫• התערובת אינה נפרדת למרכיביה‪.‬‬
‫• התערובת אינה ניתנת להפרדה באמצעות סינון‪.‬‬
‫• התכונות של כל דוגמה בכל נקודה בתמיסה הינן זהות‪-‬‬
‫הומוגנית‪.‬‬
‫• לתמיסה מראה צלול‪ ,‬ללא עכירות‪.‬‬
‫• התמיסה תמיד שקופה גם כאשר היא צבעונית‪.‬‬
‫‪1‬‬
‫תכונות של תמיסות‬
‫ממס )‪ -(solvent‬המרכיב בעל הכמות הגדולה ביותר‪ ,‬בתמיסה יש רק ממס אחד‪.‬‬
‫מומס )‪ -(solutes‬שאר המרכיבים‪ ,‬אחד או יותר‪ ,‬הנוכחים בכמויות קטנות יותר‪.‬‬
‫ההבחנה הינה שרירותית ומשמעותית רק במצב צבירה נוזלי‪.‬‬
‫מסיסות‪ -‬של חומר הינה הכמות המרבית של חומר‪ ,‬המתמוססת בכמות נתונה של‬
‫חומר בטמפרטורה נתונה‪.‬‬
‫תמיסה רוויה‪ -‬תמיסה‪ ,‬המכילה כמות מרבית זו של מומס בתנאים נתונים ביחס לאותו‬
‫מומס‪.‬‬
‫תכונות של תמיסות‬
‫תמיסה מהולה‪ -‬כאשר כמות המומס בתנאים נתונים ביחס לאותה תמיסה קטנה יותר‬
‫מהכמות המרבית‪.‬‬
‫תהליך המיהול מתבצע ע"י הוספת ממס‪.‬‬
‫כמו כן ניתן לרכז תמיסה מהולה ע"י הוספת מומסים או ע"י הוצאת חלק מהממס‪.‬‬
‫תמיסות של לא אלקטרוליטים‪ -‬המומס נשאר בתמיסה בצורה מולקולרית ואינו נוטה‬
‫להתפרק ליונים‪.‬‬
‫תמיסות של אלקטרוליטים )מוליכים חשמל(‪ -‬המומס מתפרק בדרגה זו או אחרת ליונים‪,‬‬
‫וכך גדל מספר החלקיקים בתמיסה‪ .‬תמיסות של אלקטרוליטים הינן תמיסות מוליכות‬
‫חשמל‪.‬‬
‫תכונות של תמיסות‬
‫המומס מתמוסס לחלוטין עד לנקודה בה הממס‬
‫לא יכול יותר להמיס את המומס‪ -‬נקודת רוויה‪.‬‬
‫‪2‬‬
‫מים כממס‬
‫• מים משמשים כממס בכל המערכות החיות‪.‬‬
‫• המים זולים ואינם רעילים ולכן משמשים כממס בתהליכים‬
‫רבים בתעשייה‪.‬‬
‫• אנחנו נתמקד בתמיסות מימיות‪.‬‬
‫מים כממס‬
‫לאטום החמצן מטען שלילי חלקי לאטום המימן‬
‫מטען חיובי חלקי‪.‬‬
‫המסת חומרים קוטביים‪ -‬מטען חיובי נמשך‬
‫למטען שלילי ומטען שלילי נמשך למטע חיובי‪.‬‬
‫המסת חומרים יוניים‪ -‬מולקולות המים מקיפות‬
‫את האניונים ע"י אטומי המימן‪ ,‬ואת הקטיונים ע"י‬
‫אטומי החמצן‪.‬‬
‫אלקטרוליטים‬
‫תמיסה של חומרים יונים במים הינה תמיסה‬
‫אלקטרוליטית )מוליכה חשמל(‪.‬‬
‫היונים של המומס נפרדים במים‬
‫ומאפשרים לתמיסה להוליך זרם‪.‬‬
‫למים מזוקקים הולכה חשמלית זניחה‪.‬‬
‫‪ NaCl‬הוא דוגמא לחומר אלקטרוליטי‪.‬‬
‫‪Na+ + Cl-‬‬
‫‪NaCl‬‬
‫היונים ניידים בתמיסה ומאפשרים הולכה חשמלית‪.‬‬
‫‪3‬‬
‫אלקטרוליטים‬
‫אלקטרוליטים חזקים‪-‬‬
‫• חומרים שעוברים דיסוציאציה מלאה ליונים כאשר הם‬
‫מתמוססים‪.‬‬
‫• יכולים להיות תרכובות יוניות בעלות מסיסות גבוהה‪.‬‬
‫• או תרכובות קוולנטיות המגיבות על מים לתת יונים‪.‬‬
‫אלקטרוליטים חלשים‪-‬‬
‫• חומרים שרק חלק מהכמות שהומסה עוברת דיסוציאציה‬
‫ליונים‪.‬‬
‫• שאר החומר מומס ולא מתפרק ליונים‪.‬‬
‫תמיסות‬
‫תמיסות של לא אלקטרוליטים‪-‬‬
‫המומס נשאר בתמיסה בצורה מולקולרית ואינו נוטה‬
‫להתפרק ליונים‪.‬‬
‫תמיסות של אלקטרוליטים )מוליכים חשמל(‪-‬‬
‫המומס מתפרק בדרגה זו או אחרת ליונים‪ ,‬וכך גדל‬
‫מספר החלקיקים בתמיסה‪ .‬תמיסות של‬
‫אלקטרוליטים הינן תמיסות מוליכות חשמל‪.‬‬
‫תמיסה של לא אלקטרוליט‬
‫‪4‬‬
‫תמיסה של אלקטרוליט‬
‫תמיסות מהולות ומרוכזות‬
‫תמיסה מהולה‪ -‬כאשר כמות המומס בתנאים נתונים‬
‫ביחס לאותה תמיסה קטנה יותר מהכמות המרבית‪.‬‬
‫תהליך המיהול מתבצע ע"י הוספת ממס‪.‬‬
‫תמיסה מרוכזת‪ -‬ניתן לרכז תמיסה מהולה ע"י הוספת‬
‫מומסים או ע"י הוצאת חלק מהממס‪.‬‬
‫תמיסה מהולה ותמיסה מרוכזת‬
‫‪5‬‬
‫ריכוז‬
‫• ריכוז של מומס הינו אינדיקציה לכמות המומס שהומס‬
‫בממס‪.‬‬
‫• נהוג לסמן את ריכוז המומס ע"י הקפת המומס בסוגריים‬
‫מרובעים‪.‬‬
‫]‪[A],[B‬‬
‫יחידות ריכוז‬
‫דרכים להביע ריכוזים של תמיסות‪:‬‬
‫אחוז משקלי‬
‫אחוז משקלי נפחי‬
‫אחוז נפחי‬
‫‪ppm, ppb‬‬
‫מולר‬
‫מולל‬
‫שיטות לביטויי ריכוזים בתמיסות‬
‫אחוז משקלי‪ :‬מסת המומס )בגרמים( במאה גרמים של תמיסה‪.‬‬
‫‪100‬‬
‫×‬
‫מסת המומס‬
‫=‬
‫‪ %‬משקלי‬
‫מסה כללית‬
‫‪6‬‬
‫שיטות לביטויי ריכוזים בתמיסות‬
‫מולריות )‪ -(molarity‬מספר מולים של המומס בליטר תמיסה‬
‫מולריות מסומנת ב‪.M -‬‬
‫אחד מולר‪.1M ,‬‬
‫מול אחד של מומס בליטר תמיסה‪.‬‬
‫‪1M = 1mol / liter‬‬
‫הדגש על נפח התמיסה כולה ולא נפח הממס‬
‫שיטות לביטויי ריכוזים בתמיסות‬
‫‪=C‬‬
‫‪n‬‬
‫‪V‬‬
‫=‬
‫מספר המולים של המומס‬
‫= ‪ = M‬מולריות‬
‫נפח של התמיסה‬
‫נהוג לציין את הריכוז של החומר ע"י שימוש בסוגריים מרובעות‪.[ ] ,‬‬
‫לדוגמא תמיסה של ‪ KCl‬בריכוז של ‪ 0.1 M‬נרשום‪:‬‬
‫‪n‬‬
‫‪V‬‬
‫=‪C‬‬
‫‪[KCl]= 0.1 M‬‬
‫שיטות לביטויי ריכוזים בתמיסות‬
‫רוב התגובות הכימיות מלוות במיהול ובערבוב‪.‬‬
‫על הכימאי לדעת בכל רגע‪ ,‬מהו ריכוזם של החומרים בתמיסה שברשותו‪.‬‬
‫במהלך מיהול )הוספת ממס לתמיסה( ובמהלך ריכוז )סילוק ממס מתמיסה( תמיסות‬
‫מספר המולים של כל חומר מומס במערכת נשאר קבוע‪ .‬ניתן לנצל עובדה זו‬
‫בחישובי ריכוזים‬
‫מספר המולים של המומס= ריכוז המומס × נפח התמיסה‬
‫‪mole‬‬
‫‪= mole‬‬
‫‪× L‬‬
‫= ‪M (C) × V‬‬
‫‪L‬‬
‫‪7‬‬
‫שיטות לביטויי ריכוזים בתמיסות‬
‫אם מספר המולים אינו משתנה במהלך המיהול ניתן לכתוב‪:‬‬
‫‪M1 × V1 = M2 × V2‬‬
‫אחרי המיהול‬
‫לפני המיהול‬
‫‪C1 V1 = C2 V2‬‬
‫הכנת תמיסה של מוצק בנוזל‬
‫‪ .1‬קובעים את הריכוז הנדרש‪.‬‬
‫‪ .2‬קובעים את הנפח הנדרש‪.‬‬
‫‪ .3‬שוקלים את המסה הדרושה לפי‪:‬‬
‫‪m = C×V×Mw‬‬
‫‪ .4‬ממיסים את המומס בבקבוק מדידה בנפח‬
‫המתאים‪.‬‬
‫שאלות לדוגמא‬
‫מה הריכוז של ‪ 0.50L‬תמיסה המכילה ‪ 45 gr‬מהמלח ‪?NaCl‬‬
‫‪n (NaCl) = 45g / 58 g/mol = 0.8 mols‬‬
‫‪[NaCl] = 0.8 mols / 0.5L =1.6 M‬‬
‫‪8‬‬
‫• מהו האחוז המשקלי של תמיסת ‪ NaCl‬בריכוז ‪ ?2.0M‬נתון כי‬
‫צפיפות התמיסה ‪?1.08 g/ml‬‬
‫ניזכר בהגדרת הצפיפות‪ :‬צפיפות מוגדרת כמסה של חומר ליחידת נפח‪.‬‬
‫‪g‬‬
‫‪cm3‬‬
‫‪kg‬‬
‫=‬
‫‪m3‬‬
‫‪m‬‬
‫=‬
‫‪V‬‬
‫=‪d‬‬
‫• מכיוון שריכוז מולרי מתייחס למספר מולים ב ‪ 1‬ליטר תמיסה‬
‫• נחשב את המסה של ‪ 1000 ml‬תמיסה‪:‬‬
‫‪1000 ml x 1.08 g/ml = 1080 g‬‬
‫• נחשב את מסת המומס ב‪ 1000 ml -‬תמיסה‪:‬‬
‫‪58.4 g/mol x 2 mol/L x 1L = 117 g‬‬
‫• כעט נחשב את האחוז המשקלי של התמיסה‪:‬‬
‫‪117 g‬‬
‫‪1080 g x 100 = 10.8 %‬‬
‫דוגמא‬
‫כמה מולים של מומס יש ב‪ 682 ml -‬תמיסת ‪ ,NH3‬בריכוז ‪?1.5M‬‬
‫‪n=CxV‬‬
‫‪Moles solute = 1.50M(NH3) x 0.682 L = 1.02 moles.‬‬
‫• לפיכך בתמיסה יש ‪ 1.02‬מולים של ‪.NH3‬‬
‫‪9‬‬
‫דוגמא‬
‫כמה גרמים של מומס יש ב‪ 2.4 ml -‬תמיסת ‪ ,H2O2‬בריכוז ‪?0.0200M‬‬
‫‪V= 2.4 ml= 0.0024 L‬‬
‫‪C= 0.0200 M‬‬
‫‪n= C x V‬‬
‫=‪Moles solute = 0.0200 M (H2O2) x 0.00240 L‬‬
‫‪4.8X10-5 moles‬‬
‫‪m= Mw x n‬‬
‫‪m= 34gr / mol x 4.8 x10-5 moles = 1.63 x10-3 gr‬‬
‫דוגמא‬
‫• ריכוז תמיסת חומצה הידרו כלורית הינו ‪) 37%‬משקלי( איזו מסה של‬
‫תמיסה תכיל ‪ 7.5 g‬של ‪?HCl‬‬
‫‪37 g HCl‬‬
‫‪37% HCl = 100 g soln‬‬
‫‪7.5 g HCl‬‬
‫‪X g soln‬‬
‫‪37 g HCl‬‬
‫=‬
‫‪100 g soln‬‬
‫=‬
‫‪X= 20.3 g soln‬‬
‫מעבר מ‪ %-‬משקלי לריכוז ב‪M -‬‬
‫• ריכוז תמיסת חומצה הידרו ברומית הינו ‪) 40%‬משקלי( וצפיפותה‬
‫‪ , 1.38 gr/mol‬מה ריכוזה המולרי?‬
‫‪m (solution) = 100 gr‬‬
‫‪m (water)= 60.0 gr‬‬
‫‪m (HBr)= 40.0 gr‬‬
‫=‬
‫‪= 0.494 mol‬‬
‫‪= 72.5 ml‬‬
‫‪= 40.0 gr‬‬
‫‪81.0 gr/mol‬‬
‫‪100 gr‬‬
‫‪1.38 gr/ml‬‬
‫=‬
‫‪m‬‬
‫‪d‬‬
‫‪m‬‬
‫‪Mw‬‬
‫= )‪N (HBr‬‬
‫= )‪V (solution‬‬
‫‪10‬‬
‫מעבר מ‪ %-‬משקלי לריכוז ב‪M -‬‬
‫‪= 6.81 M‬‬
‫‪0.494 mol‬‬
‫‪0.0725 L‬‬
‫=‬
‫‪n‬‬
‫‪V‬‬
‫=‪C‬‬
‫• יש לשים לב שמחשבים ביחידות הנכונות‪.‬‬
‫• במידה ונדרש מעבר יחידות לוודא שנעשה נכון‪.‬‬
‫• יש לרשום יחידות ולוודא שהן מצטמצמות‪.‬‬
‫• לשים לב שחישבתם עד הסוף וכי התשובה שכבתם עונה לשאלה‪.‬‬
‫• רצוי בשאלות עם ‪ %‬משקלי להניח כי לקחתם ‪ 100‬גרם תמיסה‪.‬‬
‫• לזכור כי הצפיפות הינה צפיפות התמיסה!!! ולא צפיפות המומס‪.‬‬
‫דוגמא‬
‫• ממיסים ‪ 3.576 g‬של ‪ KCl‬במים ומשלימים לנפח של ‪ .200 ml‬מהו‬
‫ריכוז התמיסה?‬
‫*תחילה מחשבים את‬
‫מספר המולים של המומס‪:‬‬
‫‪3.576 g‬‬
‫‪= 0.048 mol‬‬
‫‪74.45 g/ mol‬‬
‫* אחר כך מחשבים את‬
‫ריכוז התמיסה‪:‬‬
‫=‬
‫‪0.048 mol‬‬
‫‪= 0.24 M‬‬
‫‪0.2 L‬‬
‫דוגמא‬
‫• באיזה נפח של תמיסת ‪ AgNO3‬בריכוז ‪ 0.0235 M‬מומסים ‪1.699 g‬‬
‫של ‪? AgNO3‬‬
‫‪1.699 g‬‬
‫‪= 1.000 x 10-2 mol‬‬
‫‪170.0 g/ mol‬‬
‫‪= 0.425 L‬‬
‫‪1.000 x 10-2 mol x 1L‬‬
‫= ‪0.0235 mol‬‬
‫‪11‬‬
‫דוגמא‬
‫• כמה מולקולות סוכר יש להוסיף ל‪ 400 ml -‬תמיסת סוכר בריכוז‬
‫‪ 0.32M‬על מנת לקבל תמיסה בריכוז ‪? 0.4M‬‬
‫פיתרון‬
‫• כמות המולים של מולקולות הסוכר ב‪:0.32M -‬‬
‫‪0.32 mol x 0.4 L == 0.13 mol‬‬
‫‪L‬‬
‫• כמות המולים של מולקולות הסוכר ב‪:0.4M -‬‬
‫‪0.4 mol x 0.4 L = 0.16 mol‬‬
‫‪L‬‬
‫• לפיכך יש להוסיף‪:‬‬
‫‪0.16 mol – 0.13 mol = 0.03 mol‬‬
‫‪0.03 x 6.02 x 1023 = 1.9 x 1022 molecules‬‬
‫בעיות מיהול‬
‫• מיהול פירושו הוספת ממס מבלי להוסיף מומסים‪.‬‬
‫• מספר המולים לפני המיהול שווה למספר המולים לאחר המיהול‪.‬‬
‫• לפיכך מתקיימת הנוסחה‪:‬‬
‫‪C1V1 = C2V2‬‬
‫‪12‬‬
‫בעיות מיהול‬
‫• כמה מיליליטר של תמיסת ‪ HNO3‬בריכוז ‪ 3.2M‬דרושים כדי להכין‬
‫‪ 400 ml‬תמיסת ‪ HNO3‬בריכוז ‪? 0.8M‬‬
‫‪C1V1 = C2V2‬‬
‫‪0.8M x 0.4L = 3.2L x XL‬‬
‫‪0.8M x 0.4L‬‬
‫‪3.2M‬‬
‫‪= 0.1L = 100 ml‬‬
‫=‪X‬‬
‫בעיות מיהול‬
‫• ערבבו ‪ 500‬מ"ל תמיסת ‪ HNO3‬בריכוז ‪ 4.0 M‬עם ‪200 ml‬‬
‫תמיסת ‪ HNO3‬בריכוז ‪ 2.5 M‬מהו הריכוז החדש ?‬
‫‪n1 + n2‬‬
‫‪V total‬‬
‫‪C1V1 + C2V2‬‬
‫‪V1 + V2‬‬
‫‪0.5L x 4.0M + 0.2L x 2.5M‬‬
‫‪= 3.6M‬‬
‫‪0.5L + 0.2L‬‬
‫= ‪C3‬‬
‫= ‪C3‬‬
‫= ‪C3‬‬
‫‪13‬‬