Rozpustnost je vlastnost, která rozhoduje o tom, zda lze látku vůbec v roztoku použít, a je to první číslo, které chemik vyhledá před navržením přípravy, čištění nebo formulace. Určuje, jak koncentrované činidlo lze připravit, zda lze lék podat ve formě sirupu, nebo musí být podán ve formě tablety, proč se cukr může rozpustit v horkém čaji, ale ne v ledovém, proč se v konvici tvoří vodní kámen místo toho, aby se v ní rozpustil, a proč funguje přeměna krystalizace: pevná látka se rozpustí v horkém rozpouštědle a získá se zpět v čistém stavu, když roztok vychladne a rozpustnost klesne.
O odpovědi rozhodují dva faktory. Prvním je chemická povaha rozpuštěné látky a rozpouštědla — pravidlo palce, že podobné rozpouští podobné, což v praxi znamená, že rozpouštědlo rozpouští rozpuštěnou látku, když interakce, které může nabídnout, jsou dostatečně silné na to, aby uhradily rozdělení pevné látky. Voda se svou velmi vysokou dielektrickou konstantou a schopností tvořit vodíkové vazby je vynikajícím rozpouštědlem pro ionty a malé molekuly pokryté hydroxilovými skupinami a špatným pro polymer, jehož řetězce jsou k sobě vázány vodíkovými vazbami, nebo pro sůl, jejíž mřížka drží příliš pevně pohromadě. Druhým faktorem je teplota. Rozpouštění pohlcuje nebo uvolňuje teplo a směr tohoto tok tepla určuje směr, kterým se rozpustnost ubírá při zahřátí roztoku: endotermní rozpouštění je při vyšší teplotě snazší, exotermní obtížnější. Většina pevných látek ve vodě spadá do první kategorie, ale ne všechny, a výjimky jsou ty zajímavé případy.
V této laboratoři přidáte tuhou látku do 100 ml studené vody v malých zvážených dávkách, přičemž magnetické míchadlo udržuje roztok promíchávaný, dokud se pevná látka nepřestane rozpouštět a začne se hromadit na dně kádinky. Tento bod představuje nasycení a celková hmotnost, kterou jste přidali, definuje rozpustnost této pevné látky při pokojové teplotě. Poté kádinku ohřejete na plotýnce na 75 °C s teploměrem upevněným v kapalině, budete sledovat, zda se nerozpuštěná pevná látka rozpustí, a zaznamenáte teplotu, při které mizí. Opakování celého postupu s kuchyňskou solí, glukózou, křídovým práškem, jedlou sodou a kukuřičným škrobem poskytne pět velmi odlišných odpovědí, a právě rozdíly mezi nimi – nikoli samotná čísla – má tato laboratoř odhalit.
Vzdělávací cíle
Na konci tohoto laboratorního cvičení budou studenti schopni:
Rozpoznání a dosažení saturace
- Určete bod, ve kterém je roztok nasycený, a odlište nerozpuštěnou pevnou látku od látky, která prostě ještě neměla čas se rozpustit.
- Určete rozpustnost pevné látky při dané teplotě postupným přidáváním zvážených podílů až do dosažení nasycení a sečtením přidané hmotnosti.
- Uveďte rozpustnost včetně jednotek a teploty a vysvětlete, proč je rozpustnost uvedená bez teploty bezvýznamná.
Vliv teploty
- Předpovězte a poté sledujte, zda se nerozpuštěná pevná látka rozpustí, když se roztok zahřeje na 75 °C.
- Uveďte směr změny do souvislosti s tím, zda rozpouštění teplo absorbuje, nebo uvolňuje.
- Vysvětlete, proč je tento efekt velký u některých pevných látek a u jiných sotva znatelný.
Vliv chemické povahy rozpuštěné látky a rozpouštědla
- Použijte princip, že podobné se rozpouští v podobném, a předpovězte, která z pěti pevných látek se ve vodě znatelně rozpustí.
- Vysvětlete rozpustnost iontové pevné látky pomocí hydratace jejích iontů a rozpustnost glukózy pomocí vodíkových vazeb.
- Vysvětlete, proč může být pevná látka nerozpustná, aniž by byla chemicky inertní, a proč má i nerozpustná pevná látka stále měřitelnou, byť nepatrnou, rozpustnost.
Provoz přístroje
- Sestavte varnou desku, magnetické míchadlo, stojan a svorku a umístěte teploměr do kapaliny tak, aby měřil teplotu kapaliny, a nikoli nádoby.
- Vážíte po sobě jdoucí vzorky pevné látky na elektronických vahách a zaznamenáváte průběžný součet.
- Nastavte vyhřívací desku na požadovanou teplotu a změřte teplotu roztoku nezávisle na nastavené hodnotě samotné desky.
Pozorování, zaznamenávání a objektivní interpretace
- Zaznamenejte, co bylo vidět v každé fázi, včetně vzhledu pevné látky na dně kádinky a případného uvolněného plynu.
- Rozlište rozpouštění od jiných procesů, které také způsobují, že pevná látka mizí nebo se mění, jako je rozklad nebo bobtnání škrobového zrna.
- Porovnejte těchto pět těles v jedné tabulce a vyvoďte závěr, který se vztahuje na všechna z nich.
Protokol
- Měření vody
Použijte odměrný válec k odměření 100 ml studené kohoutkové vody a nalijte ji do 100 ml kádinky.
- Příprava na topnou sezónu
a) Vložte magnetickou míchací tyčinku do kádinky.
b) Položte kádinku na topnou desku, aniž byste ji zapnuli.
- Instalace teploměru
a) Připevněte univerzální svorku k podpěře nad středem kádinky.
b) Teploměr vložte do kádinky tak, aby byl zajištěn univerzální objímkou bez dotyku dna.
- Vážení soli
a) Pomocí stěrky přidejte do kádinky přibližně 10 g kuchyňské soli (chloridu sodného).
b) Nasypte sůl do studené vody v kádince.
- Rozpouštění soli
a) Zapněte magnetické míchadlo pro dobré promíchání.
b) Postupně přidávejte 10g porce soli až do celkového přídavku 20 g, přičemž při každém přidání vyčkejte na úplné rozpuštění.
c) Pokračujte v přidávání 2 g soli po částech, dokud se sůl již nerozpouští a nezačne se hromadit na dně kádinky.
Poznamenejte si celkové množství soli, které bylo nalito do kádinky, aby se dosáhlo bodu, kdy se sůl již nerozpouští a začíná se hromadit na dně kádinky.
- Vytápění
a) Nastavte plotýnku na 75 °C pro ohřev roztoku.
b) Sledujte, zda se nahromaděná sůl s rostoucí teplotou rozpouští.
c) Poznamenejte si teplotu zobrazenou na teploměru v okamžiku, kdy se sůl zcela rozpustí.
- Reprodukce experimentu
a) Proveďte stejné kroky s cukrem (glukózou), křídovým práškem (uhličitanem vápenatým), hydrogenuhličitanem sodným a kukuřičným škrobem (škrobem), abyste porovnali rozpustnost těchto látek.
b) Mezi jednotlivými pokusy obsah skleněných nádob důkladně vyprázdněte do sběrné nádoby a nádoby omyjte destilovanou vodou.
c) Pro každou pevnou látku se množství, které budete muset přidat do kádinky s vodou pro dosažení úplného rozpuštění, bude lišit od jedné pevné látky ke druhé.
Předvídané výsledky
Těchto pět těles dává pět různých odpovědí. Dvě z nich se rozpouštějí snadno, jedna se rozpouští středně a dvě se nerozpouštějí vůbec – a z těch dvou, které se nerozpouštějí, se jedna chová tak, že ji lze snadno zaměnit za látku, která se rozpouští. Níže uvedená tabulka uvádí očekávané výsledky pro každou z nich, přičemž vychází z uznávané rozpustnosti ve vodě při teplotě 25 °C. Vzhledem k tomu, že se při experimentu přidává pevná látka do 100 ml vody (přibližně 100 g), lze tyto údaje přímo porovnat s průběžným součtem, který si student zaznamenává; je třeba si uvědomit, že publikované tabulky rozpustnosti uvádějí hodnoty obvykle na 100 g voda, a nikoliv na 100 ml hotového roztoku, přičemž u tak rozpustné látky, jako je sůl, není to druhé totéž.
| Pevný | Vzorec | Rozpustnost ve vodě při 25 °C | Očekávaný výsledek ve studené vodě | Při zahřátí na 75 °C |
|---|---|---|---|---|
| Kuchyňská sůl | NaCl | 36 g / 100 ml | Rozpouští se; po přidání přibližně 36 g dochází k nasycení | Malé dodatečné množství se rozpustí — asi 2 g na 100 ml |
| Cukr (glukóza) | C6H12O6 | 91 g / 100 ml | Volně se rozpouští; k nasycení potřebuje asi dva a půlkrát více pevné látky než soli | Výrazně více přechodů; efekt je výrazný a zřejmý |
| Hydrogenuhličitan sodný | NaHCO3 | 10,3 g / 100 ml | Rozpouští se, ale po asi 10 g se nasycuje — třetina množství soli | Více se rozpouští a objevují se bublinky plynu, jak se bikarbonát začíná rozkládat |
| Křídový prášek | CaCO3 | ≈ 0,001 g / 100 ml | Nerozpouští se; zakalí vodu a poté se usadí | Stále se nerozpouští — jeho rozpustnost pádů jak se voda ohřívá |
| Kukuřičný škrob | (C6H10O5)n | Nerozpustný | Nerozpouští se; tvoří mléčnou suspenzi, která se usazuje | Při teplotě přibližně 62 až 72 °C zrna bobtnají a směs houstne – jde o želatinizaci, nikoli o rozpuštění. |
Proč teplota ovlivňuje rozpustnost a kterým směrem. Rozpuštění dosáhne rovnováhy, když je změna volné energie nulová, ΔGřešení = ΔHřešení − TΔSřešení = 0. Teplotní závislost výsledné rozpustnosti s se řídí van ’t Hoffovým vztahem, ln(s2/s1) = −(ΔHřešení/R)(1/T2 − 1/T1), což říká něco jednoduchého: pokud rozpouštění pohlcuje teplo, zahřívání roztoku pomáhá a rozpustnost roste; pokud rozpouštění uvolňuje teplo, zahřívání tomu brání a rozpustnost klesá. Toto jediné znaménko ovládá každou položku v posledním sloupci tabulky výše.
| Pevný | Enthalpie rozpouštění, ΔHřešení | Podepsat | Předpokládaný účinek ohřevu |
|---|---|---|---|
| NaCl | +3,9 kJ/mol | Slabě endotermický | Rozpustnost stoupá, ale jen mírně. |
| Glukóza | ≈ +11 kJ/mol | Endotermní | Rozpustnost prudce stoupá |
| NaHCO3 | +17,2 kJ/mol | Silně endotermní | Rozpustnost prudce stoupá |
| CaCO3 | −12,3 kJ/mol | Exotermický | Rozpustnost klesá — což je přesný opak obvyklého případu |
Výsledek soli, zpracován. Chlorid sodný je první látka, kterou protokol zkoumá, a záměrně se jedná o látku s nejméně výraznými vlastnostmi. Jeho uznávaná rozpustnost se pohybuje od 35,7 g na 100 g vody při 0 °C do 39,1 g při 100 °C — což představuje nárůst o méně než 10 % v celém rozmezí teplot, v němž je voda v kapalném stavu. Interpolací na nastavenou hodnotu 75 °C v protokolu dostaneme asi 38 g / 100 ml, takže z pevné látky ležící na dně nasycené kádinky se po zapnutí desky rozpustí pouze asi 2 g na 100 ml. Studenti, kteří očekávají dramatické vyčištění roztoku, budou zklamáni, a právě o to jde: vytváří to kontrast s glukózou a hydrogenuhličitanem a vysvětluje to, proč sůl nelze vyčistit rekrystalizací z vody, zatímco mnoho jiných pevných látek ano.
| Teplota | Rozpustnost NaCl (g na 100 g vody) |
|---|---|
| 0 °C | 35.7 |
| 20 °C | 35.9 |
| 40 °C | 36.4 |
| 60 °C | 37.1 |
| 75 °C (nastavená hodnota protokolu) | ≈ 38 |
| 100 °C | 39.1 |
Výpočet, který stojí za to provést, a stojí za to ho udělat špatně. Dosazení solních hodnot do van ’t Hoffovy rovnice s ΔHřešení = +3,9 kJ/mol, z T1 = 298 K na T2 = 348 K, dává ln(s2/s1) = −(3900 / 8,314)(1/348 − 1/298) = 469 × 4,82 × 10−4 = 0.226, takže s2/s1 = 1,25 a s2 ≈ 45 g / 100 ml. Naměřená hodnota je přibližně 38. Předpověď je o 18 % příliš vysoká, přičemž důvod je spíše poučný než trapný: van ’t Hoffův vztah předpokládá ideální roztok s konstantní entalpií roztoku, a nasycený roztok soli — přibližně 6 mol/l, ve kterém se každá molekula vody podílí na hydrataci jednoho iontu — je od ideálu tak daleko, jak jen vodný roztok může být. Porovnání předpovědi s naměřenou hodnotou je lepší cvičení než každá z těchto činností samostatně.
Proč voda některé z těchto pevných látek rozpouští a jiné ne. Pro iontovou pevnou látku je rozpouštění soubojem mezi mřížkovou energií, která drží ionty pohromadě, a hydratační energií uvolněnou, když je voda obklopuje. U chloridu sodného vyhrává voda, protože její relativní permitivita přibližně 78 oslabuje elektrostatickou interakci mezi oddělenými ionty téměř o dva řády a protože každý iont je stabilizován uspořádanou obálkou tvořenou dipóly vody. V ethanol, jehož relativní permitivita je pouze okolo 24, se tatáž sůl rozpouští přibližně na 0,065 g na 100 ml – tedy zhruba pěti setkrát méně. Voda prohrává s uhličitanem vápenatým, protože mřížka drží dvakrát nabitý kationt proti dvakrát nabitému aniontu: součin rozpustnosti je Ksp = 3,3 × 10−9, takže nasycená koncentrace je √Ksp = 5,7 × 10−5 mol/L, což při 100,09 g/mol představuje 0,6 mg na 100 mL — zhruba jeden díl ku dvaceti tisícům [pozn. překladatele: správně dvě stě tisícům, ale "díl ku dvě stě tisícům" není v češtině obvyklé, zachovávám přesný smysl: zhruba jeden díl ze dvou set tisíc], a v kádince s usazeným práškem je to zcela neviditelné. Glukóza se rozpouští z jiného důvodu: není iontová vůbec, ale jejích pět hydroxylů a jeden kruhový kyslík tvoří vodíkové vazby s vodou, takže molekula je solvatovaná stejně účinně jako iont. Škrob je vystavěný ze stejných glukózových jednotek, ale jako řetězce stovek z nich, které jsou navzájem spojené vodíkovými vazbami uvnitř polokrystalických zrn; voda nedokáže tyto řetězce při pokojové teplotě oddělit, a když do nich při zahřívání nakonec pronikne, výsledkem je bobtnavá pasta namísto roztoku.
Vizuální kontrola, že se něco rozpustilo. Rozpuštěná látka zaujímá objem. Zdánlivý molární objem chloridu sodného ve vodě je asi 16,6 cm3/mol, takže 36 g potřebných k nasycení 100 ml (36 / 58,44 = 0,616 mol) přidá do kapaliny zhruba 0,616 × 16,6 ≈ 10 ml, čímž se hladina v kádince zvedne ze 100 ml na asi 110 ml. Student, který nárůst hladiny nevidí, nerozpustil tolik soli, kolik si myslí — a student, který nárůst změřil, provedl druhé, nezávislé měření téhož množství.
Shrnutí úkolů podle věkové kategorie
9. až 10. ročník
Soustřeď se. Pozorování a slovní zásoba: rozpuštěná látka, rozpouštědlo, nasycený, rozpustný, nerozpustný, suspenze.
- Přidávejte sůl po zvážených dávkách, dokud se nepřestane rozpouštět, a uveďte celkovou přidanou hmotnost jako rozpustnost při pokojové teplotě.
- Rozhlaďte pět pevných látek na rozpustné a nerozpustné podle toho, co je vidět v kádince, a uveďte, jaký důkaz byl použit.
- Zaznamenejte, zda se pevná látka na dně rozpustí, když je varná deska nastavena na 75 °C, a při jaké teplotě vymizí.
- Cukr se ve horké vodě rozpouští lépe než ve studené, protože horká voda má větší kinetickou energii, což umožňuje vytvořit více nasycený roztok.
11. ročník
Soustřeď se. Kvantitativní srovnání pevných látek a odvození rozpustnosti ze struktury.
- Uveďte tabulkou hmotnost potřebnou k nasycení 100 ml pro každou z pěti pevných látek a převeďte každý výsledek na gramy na litr a na moly na litr, pokud existuje molární hmotnost.
- Seřaďte pevné látky před provedením experimentu na základě iontové nebo molekulární struktury každé z nich a porovnejte toto pořadí s výsledkem.
- Vysvětlete, proč se výsledek pro sůl při zahřívání mění mnohem méně než výsledek pro glukózu, s ohledem na teplo pohlcené při rozpouštění.
- Určete, která z pěti pevných látek nemůže poskytnout čisté měření rozpustnosti při 75 °C, a uveďte proč.
12. ročník / Úroveň college
Soustřeď se. Termodynamické zpracování a výpočet rovnováhy.
- Použijte van ’t Hoffovu rovnici s ΔHřešení = +3,9 kJ/mol k předpovědi rozpustnosti NaCl při 75 °C, porovnejte ji s akceptovanou hodnotou přibližně 38 g / 100 mL a vysvětlete tento nesoulad s ohledem na neideálnost při 6 mol/L.
- Vypočítejte rozpustnost uhličitanu vápenatého z Ksp = 3,3 × 10−9, vyjádřete to v mg na 100 ml a vysvětlete, proč je hodnota naměřená ve vodě otevřené na vzduch vyšší.
- Vysvětlení pomocí rovnice $\Delta G = \Delta H - T\DeltaS$: Děj, který uvolňuje teplo, je **exotermní**, což znamená, že entalpiová změna $\Delta H$ je záporná ($\Delta H < 0$). Aby k samovolnému rozpouštění vůbec došlo, musí být celková změna Gibbsovy energie záporná ($\Delta G 0$), což dále pomáhá tomu, aby $\Delta G$ bylo záporné, a to zejména při nižších teplotách. **Proč rozpustnost při zahřívání klesá?** Pro exaktní pochopení je nutné zohlednit, že $\Delta H$ a $\Delta S$ jsou do jisté míry teplotně nezávislé, ale klíčovou roli hraje člen $T\DeltaS$. U exotermního rozpouštění ($\DeltaH 0$), proces přestane být samovolným, což znamená, že **rozpustnost látky se s rostoucí teplotou snižuje**.
- Odhadněte zvětšení objemu při nasycení 100 ml vody chloridem sodným (NaCl) pomocí zdánlivého molárního objemu a navrhněte, jak by jej bylo možné změřit dostatečně přesně, aby sloužilo jako kontrola přidané hmotnosti.
Laboratorní potřeby
Nástroje
- Elektronická váha (rozlišení 0,01 g, s tlačítkem tare/vynulování)
- Vážicí lodička
- Obracečka
- Odměrný válec (100 ml)
- Kahanec (100 ml) pro experiment; kahance (50 ml a 500 ml) rovněž na lavici
- Ohřevná deska s magnetickou míchadlem, zobrazující teplotu desky i cílovou teplotu
- Magnetické míchadlo
- Teploměr
- Laboratorní stojan s univerzální svorkou na teploměr
- Zachytávací nádoba pro vyprazdňování kádinky mezi pevnými látkami
Produkty
- Chlorid sodný, kuchyňská sůl (prášek)
- Glukóza, cukr (moučkový)
- Jedlá soda
- Uhličitan vápenatý, křída (prášek)
- Škrob, kukuřičný škrob (prášek)
- Vodovodní voda, pro 100ml porce
- Destilovaná voda na oplachování skla mezi pevnými látkami
- Ethanol a olivový olej jsou na pracovním stole, ale nejsou použity v žádném kroku tohoto protokolu, který testuje rozpustnost pouze ve vodě.