4. Колоїдні та істинні розчини

Джерело: https://uahistory.co/pidruchniki/yaroshenko-chemistry-9-class-2017/yaroshenko-chemistry-9-class-2017.files/image021.jpg

https://uahistory.co/pidruchniki/yaroshenko-chemistry-9-class-2017/4.php

ХАРАКТЕРИСТИКА ЯКІСНОГО СКЛАДУ І ВЛАСТИВОСТЕЙ РОЗЧИНІВ ЯК ОДНОРІДНИХ СУМІШЕЙ. Із природознавства й хімії 7-8 класів ви добре обізнані з тим, що суміші утворюються внаслідок змішування кількох (щонайменше двох) чистих речовин, тобто речовин, що не містять домішок інших речовин і мають постійний склад.

За звичайних умов суміші можуть перебувати в різних агрегатних станах, наприклад, бути газоподібними, як повітря, рідкими, як морська вода, твердими, як граніт.

Пригадайте, як у промисловості з повітря виділяють кисень й азот, а в природі із солоних озер — сіль.

Важливим є те, що кожний їхній компонент зберігає свої властивості. Це означає, що суміші можна розділяти фізичними методами.

Розрізняють неоднорідні, або гетерогенні, та однорідні, або гомогенні, суміші. У перекладі з грецької homos — рівний, однаковий, heteros — різний, неоднаковий.

У неоднорідній суміші її компоненти можна побачити за допомогою оптичних приладів, а то й без їхньої допомоги. Наприклад, компоненти в суміші цукру й піску або крейди й води ми бачимо без допомоги оптичних приладів. Це тому, що між їхніми компонентами є поверхня поділу.

В однорідній суміші компоненти не можна побачити навіть за допомогою оптичного приладу, тому що між їхніми частинками немає поверхні поділу. Усі компоненти таких сумішей проходять крізь пори фільтра. Наприклад, столовий оцет, мінеральна вода, підсолена вода.

Однорідні суміші дістали назву істинні розчини, чи просто — розчини.

Істинний розчин (розчин) — це однорідна (гомогенна) суміш змінного складу, утворена з двох і більше компонентів, один з яких називають розчинником, інший — розчиненою речовиною. Істинні розчини гомогенні через дуже малі (менші від 1 нм, або 10-9м) розміри структурних частинок розчиненої речовини.

Розчинник і розчинена речовина рівномірно розподілені по всьому об'єму розчину. У ньому можуть також перебувати продукти взаємодії розчинника й розчиненої речовини.

Розчинником прийнято називати компонент, що має з розчином однаковий агрегатний стан. Особливий випадок становлять розчини, у яких компоненти, взяті для його виготовлення, мають однаковий агрегатний стан. У цьому разі розчинником прийнято називати компонент, уміст якого є більшим.

Вода є найпоширенішим неорганічним розчинником. Іноді як неорганічні розчинники застосовують рідкий амоніак NH3 та деякі інші речовини. До поширених органічних розчинників належать етанол С2Н5ОН (медичний спирт), етанова кислота СН3СООН, бензен С6Н6, тетрахлорметан CCl4, гексан C6H14, метанол CH3OH, бензин (однорідна суміш рідких органічних речовин вуглеводнів, про які ви дізнаєтеся з теми 3) та інші.

Розчиненою речовиною називають компонент розчину, що має відмінний від розчинника агрегатний стан. Наприклад, гідроген хлорид — газ, тому у водному розчині він є розчиненою речовиною. Саме так виготовляють хлоридну кислоту. Добування хлоридної кислоти в лабораторних умовах показано на малюнку 6, а.

Мал. 6. У воді розчиняються речовини різного агрегатного стану: а — гідроген хлорид; б — цукор (тверда речовина); в — сульфатна кислота (рідина)

Кухонна сіль, цукор — тверді речовини, що утворюють з водою істинні розчини, і вони теж є розчиненими речовинами, а не розчинниками (мал. 6, б). Рідку за звичайних умов сульфатну кислоту прийнято вважати розчиненою речовиною у водних розчинах, навіть коли її масова частка становить понад 50 % (мал. 6, в). Проте існує розчин під назвою олеум, що складається із сульфур(VI) оксиду та сульфатної кислоти. У ньому розчиненою речовиною є сульфур(VI) оксид, а розчинником — сульфатна кислота, тому що її маса в олеумі не буває меншою, ніж маса сульфур(VI) оксиду.

Розчинена тверда речовина (наприклад, цукор) перебуває у водному розчині у вигляді молекул, що рівномірно розподіляються в усьому його об'ємі. Розміри молекул не дозволяють побачити їх навіть у найпотужніший оптичний мікроскоп. Розчинена тверда речовина (натрій хлорид) перебуває у водних розчинах у вигляді йонів, що також мають дуже малі розміри. Розчин газоподібної речовини (гідроген хлориду) містить йони, частина яких асоційована в молекули. Тож цілком зрозуміло, що їх теж не можна побачити. Робимо висновок про те, що гомогенність істинних розчинів зумовлена надзвичайно малими розмірами наявних у розчині частинок розчиненої речовини (менш як 1 нм) та відсутністю поверхні поділу між ними.

Структурні частинки з розмірами менш ніж 1 нм — це окремі молекули або йони. Отже, в істинних розчинах розчинена речовина перебуває у вигляді окремих молекул (наприклад, цукор) чи окремих йонів (наприклад, кухонна сіль).

Через відсутність поверхні поділу між розчиненою речовиною й розчинником істинні розчини ще називають однофазними системами. Розчинена речовина й розчинник зберігають у розчині свої властивості. Але властивості розчину відрізняються від індивідуальних властивостей кожного його компонента.

ДЖерело: https://naurok.com.ua/uploads/files/6842/4613/4631_html/images/rechovini-docx.004.png

Так, густина води наближено дорівнює 1 г/см3, або 1 г/мл.

Ось чому для всіх дослідів і приготування водних розчинів речовин воду ніколи не зважують, а за допомогою мірного посуду (мензурки, хімічного стакана, мірного циліндра, мірних побутових посудин тощо) відміряють об'єм води, наприклад у мілілітрах, що дорівнює її масі в грамах.

Пригадайте, що густина — це маса 1 см3 речовини чи суміші речовин.

Об'єм розчину ніколи не дорівнює сумі об'ємів окремих компонентів. Якщо виготовити розчин з 500 мл води й 500 мл етанолу (медичного спирту), то такий розчин займе об'єм 940, а не 1000 мл.

Джерело: https://predmety.in.ua/image/1/image150_22.jpg

Попрацюйте групами

Завдання 1. Пригадайте, що будь-який розчин характеризується певною масою та об'ємом. Маса розчину — це сума маси розчиненої речовини й маси розчинника (мал. 7).

Мал. 7. Маса розчину — це сума маси розчиненої речовини й маси розчинника

Вам відомо, що для вираження вмісту розчиненої речовини в розчині вдаються до обчислення її масової частки.

Завдання 2. Повторіть формули, за якими обчислюють масову частку розчиненої речовини в розчині, масу розчину та масу розчинника.

Масову частку речовини в розчині обчислюють у частках від одиниці:

або у відсотках:

Похідними формулами від формул 1 та 2, за якими обчислюють масову частку речовини в розчині, є чотири формули.

За однією з них обчислюють масу розчиненої речовини в розчині, якщо відома масова частка розчиненої речовини:

Якщо ж масова частка розчиненої речовини виражена у відсотках, то формула має такий вигляд:

Третьою похідною формулою є формула для знаходження маси розчину за відомою масовою часткою речовини, обчисленою в частках від одиниці, та масою розчиненої речовини в ньому:

Якщо ж масова частка обчислена у відсотках, то формула має такий вигляд:

Завдання 3. Розв'яжіть задачі.

1. Яка маса калій гідроксиду міститься в 60 г розчину, якщо масова частка лугу в ньому дорівнює 0,02?

2. Обчисліть масу солі й об'єм води, необхідні для виготовлення розчину натрій хлориду масою 3000 г з масовою часткою солі 5 %. Таким розчином користуються для консервування огірків.

3. Один літр розчину нітратної кислоти з масовою часткою розчиненої речовини 0,5 і густиною 1,31 г/см3 розбавили водою об'ємом 690 мл. Обчисліть масову частку кислоти в розбавленому розчині.

ПОНЯТТЯ ПРО КОЛОЇДНІ РОЗЧИНИ. У назві цієї групи сумішей наявне слово «розчини». Вони, так само як істинні розчини, однорідні при візуальному сприйнятті. Усі їхні частинки, як і в істинних розчинах, рівномірно розподілені в об'ємі колоїдного розчину та проходять крізь пори фільтра. Прикладами колоїдних розчинів є розчини желатину, клею, крохмалю (точніше — крохмального клейстеру), білка курячого яйця та інші.

Чим тоді відрізняються істинні та колоїдні розчини? Відмінність полягає в тому, що під мікроскопом чи боковому освітленні частинки розчиненої речовини колоїдного розчину стають видимими. Пояснюється це тим, що хоча ці частинки (їх ще називають колоїдні частинки) дуже маленькі, щоб їх побачити візуально, проте вони досить великі, щоб розсіювати світло та створювати світловий конус, який добре помітний у темній кімнаті (мал. 8, б). У фізиці це явище відоме як ефект Тіндаля (названо на честь англійського фізика Джона Тіндаля, який його відкрив і пояснив).

Мал. 8. Проходження світлового потоку через: а — істинний розчин; б — колоїдний розчин (ефект Тіндаля)

На відміну від істинних розчинів, у колоїдних розчинах розчинена речовина подрібнена не до окремих молекул чи йонів, а до їхніх скупчень, що мають розміри від 1 до 100 нм.

Колоїдні розчини відіграють важливу роль у життєдіяльності організмів. Усі біологічні рідини — цитоплазма клітин, плазма крові, сеча, жовч та інші — є колоїдними розчинами. У промисловості колоїдні розчини використовують у виробництві штучних волокон, дубленні шкіри, фарбуванні тканин і шкіри, виготовленні клею, лаків, фарб тощо. Властивості колоїдних розчинів вивчає окрема галузь хімії — колоїдна хімія, вагомий внесок у розвиток якої зробив український учений А. В. Думанський.

Сторінка ерудита

Колоїдні розчини досить стійкі й зберігаються доволі довго. Хоча процес укрупнення (злипання) колоїдних частинок теж можливий, і тоді на дно посудини осідає драглиста маса — гель. Цей процес дістав назву коагуляція. Щоб попередити коагуляцію, у харчовій промисловості використовують спеціальні речовини (харчові добавки), загальна назва яких — стабілізатори.

З етикеток на придбаних у магазині харчових продуктах дізнайтеся, чи були використані при їхньому приготуванні стабілізатори. Випишіть у зошит назви кількох стабілізаторів.

Антон Володимирович Думанський (1880-1967) — відомий хімік, академік Академії наук УРСР, випускник Київського політехнічного інституту, один з основоположників колоїдної хімії в Україні. У 1904 р. організував у Києві першу лабораторію колоїдної хімії. Займався вивченням дисперсних систем. Йому належить ідея застосування потужної центрифуги для вимірювання розмірів колоїдних частинок. Праці А. В. Думанського та його учнів з вивчення колоїдних розчинів сприяли розробці нових технологій виробництва продукції у хлібопекарській, агрономічній, цукровій та інших галузях промисловості.

На знак вшанування заслуг ученого Інституту колоїдної хімії і хімії води НАН України в 1980 р. присвоєно ім'я А. В. Думанського.

Хімія — це життя: сторінка природодослідника

Домашній експеримент

Завдання 1. У домашніх умовах виготовте колоїдний розчин (желе, кисіль тощо).

Щоб виготовлені вами харчові продукти мали належну кулінарну якість і привабливий вигляд, уточніть спосіб їх приготування у членів вашої родини або знайдіть потрібну інформацію в Інтернеті.

Завдання 2. Укладіть переліки істинних та колоїдних розчинів, якими ваша родина користується повсякчас.

Стисло про основне

• Вода — найпоширеніший у природі, виробництві та побуті розчинник. Вона утворює істинні розчини з твердими, рідкими й газоподібними речовинами.

• Істинний розчин — це однорідна суміш, у якій навіть за допомогою потужного оптичного мікроскопа не можна розгледіти частинки речовин, тому що їхні розміри менші ніж 1 нм. Це молекули чи йони.

• В істинному розчині розрізняють два компоненти — розчинник і розчинену речовину. Розчинником є та речовина, що має однаковий з розчином агрегатний стан, і її зазвичай у розчині більше.

• Колоїдні розчини — це також однорідні суміші, проте розчинені в них речовини подрібнені не до окремих молекул чи йонів, а до їхніх скупчень, що мають розміри від 1 до 100 нм.

• Укрупнення колоїдних частинок називають коагуляцією, а утворений продукт — гелем.

Знаємо, розуміємо

1. За якою ознакою суміші поділяють на однорідні та неоднорідні? До якого виду належать істинні розчини?
2. Дайте визначення: а) істинного розчину; б) розчинника; в) розчиненої речовини; г) масової частки розчиненої речовини; д) колоїдного розчину.
3. Наведіть приклади колоїдних та істинних розчинів, розчинників.
4. З харчової соди й води виготовили розчин. Поясніть, що в ньому буде розчиненою речовиною, а що — розчинником.
5. Із 60 г нітратної кислоти й 40 мл води виготовили істинний розчин. Що в цьому розчині слід називати розчиненою речовиною, а що — розчинником? Поясніть чому.
6. За якими формулами обчислюють: а) масову частку розчиненої речовини в розчині; б) масу розчину за відомою масовою часткою розчиненої речовини в ньому; в) масу розчинника в розчині за відомою масовою часткою розчиненої речовини?

Застосовуємо

18. За текстом параграфа складіть порівняльні таблиці: а) фізичних властивостей розчину та чистої речовини (води), яку використали як розчинник; б) спільних та відмінних ознак істинних і колоїдних розчинів.
19. Обчисліть масову частку сульфатної кислоти в розчині, виготовленому з 30 г кислоти і 270 мл води. Якою стане масова частка сульфатної кислоти, якщо до розчину долити ще 300 мл води?
20. Для виготовлення розчину брат використав 27 г цукру і 123 мл води, а сестра — 36 г цукру і 164 мл води. У якому розчині масова частка цукру була більшою?
21*. Запропонуйте, як, маючи розчин з певною масовою часткою розчиненої речовини, збільшити її масову частку в розчині, а як — зменшити.
22*. Пригадайте склад і фізичні властивості повітря. Чи можна його віднести до розчинів? Якщо ваша відповідь буде ствердною, то назвіть, які речовини, на вашу думку, є розчинником і розчиненою речовиною (розчиненими речовинами) такого розчину.
23*. Складіть план виготовлення розчину масою 300 г з масовою часткою магній сульфату 10 %, якщо в наявності є все необхідне обладнання, а також достатня кількість води й розчину магній сульфату з масовою часткою розчиненої речовини 15 %. У відповіді зазначте об'єм води, яку використають під час приготування розчину.