Chemija · Pamoka

Tirpumas, temperatūra ir dujų tirpimas

Apibūdinkite tirpumą kaip pusiausvyros savybę nurodytomis sąlygomis. Atskirkite, kiek medžiagos gali likti ištirpusios, nuo to, kaip greitai ji tirpsta, tada dujoms taikykite aiškiai apibrėžtą Henrio dėsnio užrašymo konvenciją.

Grįžti į chemijos planą

Baigę pamoką, galėsite

Atskirti nesočiąją, sočiąją ir persotintąją būsenas.
Atskirti tirpimo greitį nuo pusiausvyros tirpumo.
Naudoti dujų dalinį slėgį ir apibrėžto Henrio koeficiento vienetus.

Soties riba priklauso nuo nurodytų sąlygų

Įsivaizduokite hipotetinę tirpinamąją medžiagą, kurios pusiausvyros tirpumas nurodytoje temperatūroje yra 10.0 g kiekvienam 100 g konkretaus tirpiklio. Jei į 100 g šio tirpiklio įdedama 12.0 g medžiagos, pagal paprastą pusiausvyros modelį, kuriame nevyksta reakcijos, 10.0 g gali likti ištirpę, o 2.0 g – kaip kietosios medžiagos perteklius. Vardiklis yra tirpiklio masė, o ne galutinio tirpalo masė.

Nesočiajame tirpale ištirpusios medžiagos dalis yra mažesnė nei sočiajame. Sočiojo tirpalo sudėtis atitinka pusiausvyros sudėtį nurodytomis sąlygomis. Persotintajame tirpale ištirpusios medžiagos dalis viršija pusiausvyros vertę atitinkamos kietosios fazės atžvilgiu, ir toks tirpalas iki kristalizacijos gali išlikti metastabilus. Tai, kad jis išlieka, nereiškia naujo, didesnio pusiausvyros tirpumo.

Maišymas keičia pusiausvyros pasiekimą, ne ribą nekintamomis sąlygomis

Maišymas arba kietosios medžiagos dalelių smulkinimas dažnai pagreitina tirpimą, nes pagerina sąlytį ir medžiagos pernašą. Šie pokyčiai paprastai nekeičia tų pačių fazių pusiausvyros tirpumo, kai temperatūra, slėgis ir sudėtis nekinta. Greitesnis tirpimas ir didesnis pusiausvyroje ištirpusios medžiagos kiekis yra atskiri teiginiai.

Temperatūra gali keisti tirpumą, tačiau teiginys „aukštesnėje temperatūroje visada ištirpsta daugiau“ yra pernelyg bendras. Daugelio kietųjų medžiagų tirpumas šildant didėja, tačiau kai kurioms būdingos kitokios tendencijos. Įprastomis sąlygomis dujų tirpumas dažnai mažėja kylant temperatūrai, tačiau būtina atsižvelgti į konkrečias dujas, tirpiklį ir reakcijas.

Dujų pusiausvyrai svarbus jų pačių slėgis

Kai fiziškai ištirpusių dujų koncentracija maža, o temperatūra pastovi, viena Henrio dėsnio išraiška yra c = kp. Čia c yra ištirpusių dujų medžiagos kiekio koncentracija, o p – tų dujų dalinis slėgis virš skysčio. Koeficiento k vienetai parenkami taip, kad lygtis būtų suderinta pagal matavimo vienetus. Jis priklauso nuo dujų, tirpiklio ir temperatūros.

Originaliame hipotetiniame pavyzdyje nustatyta, kad k = 1.00 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ kPa⁻¹. Kai dujų daliniai slėgiai yra 20.0 ir 40.0 kPa, gaunamos 2.00 × 10⁻⁴ ir 4.00 × 10⁻⁴ mol L⁻¹ koncentracijos. Grafike koncentracijos išreikštos kaip 200 ir 400 µmol L⁻¹, kad ašių skaičius būtų lengva skaityti. Tai išgalvotos modelio vertės, o ne lentelėse pateikti dujų duomenys.

Šį praskiesto tirpalo modelį lemia apibrėžtas dalinis slėgis

Ištirpusios medžiagos koncentracija / µmol L⁻¹

Dalinis dujų slėgis / kPa

Apskaičiuotos praskiestų tirpalų pusiausvyros būsenos
— Apibrėžtas Henrio sąryšis: c = kp

Duomenys, kuriais remiamasi

Dalinis dujų slėgis / kPa	Ištirpusios medžiagos koncentracija / µmol L⁻¹
10	100 · Apskaičiuotos praskiestų tirpalų pusiausvyros būsenos
20	200 · Apskaičiuotos praskiestų tirpalų pusiausvyros būsenos
40	400 · Apskaičiuotos praskiestų tirpalų pusiausvyros būsenos

Originalus hipotetinis dujų ir tirpiklio atvejis esant pastoviai T: c = kp, kai k = 1.00 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ kPa⁻¹. Tas pats koeficientas yra 10.0 µmol L⁻¹ kPa⁻¹. Žymekliai ir brūkšninė linija vaizduoja apskaičiuotas vertes, o ne matavimus ar teiginį apie bendrąjį slėgį.

Lygtis apibrėžia konstantą

Pagal kitą susitarimą rašoma p = K_H x, kur x yra ištirpusių dujų molinė dalis. Šis koeficientas nėra tas pats dydis kaip k lygtyje c = kp, ir jo matavimo vienetai kitokie. Pagal pastarąjį susitarimą didesnis k reiškia didesnę koncentraciją esant pastoviam p; pagal p = K_H x didesnis K_H reiškia mažesnį x esant pastoviam p. Prieš lygindami konstantą, perskaitykite lygtį.

Henrio dėsnis aprašo ribinį pusiausvyros atvejį, kai koncentracija maža. Dėl reakcijų, dujų cheminių formų pasiskirstymo, didelių koncentracijų ar slėgių, nepatenkančių į taikymo sritį, gali reikėti išsamesnio aprašymo. Taip pat „nesimaišantys“ skysčiai gali šiek tiek tirpti vienas kitame; šis apibūdinimas nebūtinai reiškia, kad tarp fazių visiškai nepereina jokia medžiaga.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Atskirkite ištirpusią medžiagą nuo pertekliaus

Naudokite hipotetinį tirpumą: 10.0 g medžiagos 100 g tirpiklio, kai T pastovi. Kaip nusistovėjus pusiausvyrai pasiskirsto 12.0 g pridėtos tirpinamosios medžiagos 100 g tirpiklio pagal modelį, kuriame reakcijos nevyksta?

Nurodytas tirpiklio kiekis sutampa su kiekiu, kuriam pateiktas tirpumas.
Pagal šį modelį, esant pusiausvyrai su kietosios medžiagos pertekliumi, ištirpusios medžiagos lieka ne daugiau kaip 10.0 g.
Atimkite: 12.0 − 10.0 = 2.0 g kietosios medžiagos pertekliaus.

10.0 g ištirpusios ir 2.0 g neištirpusios medžiagos. Tai užduotyje nustatytos vertės, o ne išmatuotas konkrečios medžiagos tirpumas.

Taikykite apibrėžtą koeficientą

Pagal hipotetinį c = kp modelį apskaičiuokite c, kai dujų dalinis slėgis yra 40.0 kPa, o k = 1.00 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ kPa⁻¹.

Padauginkite k iš nurodyto dujų dalinio slėgio.
kPa vienetai susiprastina.
c = 1.00 × 10⁻⁵ × 40.0 = 4.00 × 10⁻⁴ mol L⁻¹.

4.00 × 10⁻⁴ mol L⁻¹, arba 400 µmol L⁻¹ nurodytu tikslumu.

Pabandykite patys

Ar, esant nepakitusioms sąlygoms, greitesnis maišymas paprastai padidina pusiausvyrinį tirpumą?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Jis gali pakeisti pusiausvyros nusistovėjimo greitį, nepakeisdamas pusiausvyros sudėties.
Ar kylant temperatūrai kiekviena kietoji medžiaga būtinai tampa tirpesnė?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Kaip tirpumas kinta keičiantis temperatūrai, priklauso nuo tirpinamosios medžiagos, tirpiklio ir pusiausvyros.
Kuris slėgis turi būti naudojamas pateiktoje dujų priklausomybėje c = kp?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Dujų dalinis slėgis.
Bendrąjį slėgį gali sudaryti ir kitų dujų slėgiai, kurie neįtraukiami į priklausomybę su šiuo koeficientu.
Ar k lygtyje c = kp ir K_H lygtyje p = K_H x yra tarpusavyje pakeičiamos skaitinės konstantos?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Jos naudojamos skirtingose lygtyse, su skirtingais koncentracijos reiškimo būdais ir vienetais.

Ką verta įsidėmėti

Tirpumas yra pusiausvyrinė sudėtis nurodytomis sąlygomis.
Greitis ir pusiausvyroje pasiektas vyksmo mastas skiriasi.
Henrio priklausomybėse naudojama apibrėžta lygtis ir dujų dalinis slėgis.
Metastabilioji persotinta būsena nėra nauja pusiausvyros riba.

Šaltiniai

Mokomoji medžiaga ir žinynai, kuriais remiasi pamokos paaiškinimai ir pavyzdžiai.