Mieszaniny

Zobacz slidy

Treść prezentacji

Slide 2

Substancje czyste chemicznie to substancje zawierające tylko jeden rodzaj atomów bądź cząsteczek chemicznych. Mają ściśle określony skład i charakterystyczne właściwości fizyczne i chemiczne. Dzieli się je na pierwiastki i związki chemiczne. Mieszaniny ( układy dyspersyjne) to układy złożone z co najmniej dwóch składników, zwanych fazami, z których jeden jest rozproszony w drugim. Fazy zmieszane są ze sobą w określonej (ogólnie jednak dowolnej) proporcji ilościowej, nie są połączone chemicznie, zachowują swoje indywidualne właściwości fizyczne i chemiczne, można je rozdzielić metodami fizycznymi. Zarówno jedną jak i drugą fazę mogą stanowić pierwiastki lub związki chemiczne we wszystkich stanach skupienia. Pojecie układ dyspersyjny z reguły używa się w odniesieniu do mieszaniny, w której drobinki cieczy lub ciała stałego są rozproszone w gazie.

Slide 3

Faza: rozproszona rozpraszająca gaz ciecz ciało stałe gaz roztwory piany (np. woda gazowe sodowa) (np.powietrze) piany stałe (np. pumeks) ciecz aerozole i mgły (np. deszcz) roztwory właściwe (np.ocet) emulsje (np.mleko) (np. mokra gąbka) ciało stałe dymy (np. kurz) roztwory stopy metali właściwe, koloidy (np. brąz) i zawiesiny

Slide 4

Mieszaniny jednorodne (homogeniczne) Charakteryzuje je rozproszenie molekularne, a rozmiary cząsteczek rozproszonych są wielkości mniejszych od 1 nm. Nazywa się je roztworami właściwymi. Są one jednorodne fizycznie, tzn. każda próbka, pobrana z dowolnego miejsca układu, ma taki sam skład jakościowy i ilościowy. Mieszaniny niejednorodne (heterogeniczne) Charakteryzuje je rozproszenie koloidalne bądź makroskopowe. W pierwszy przypadku nazywamy je koloidami, a rozmiary cząstek rozproszonych zawierają się pomiędzy 1 nm a 100 nm. W drugim przypadku są to zawiesiny, gdzie rozmiary cząstek rozproszonych przewyższają 100 nm. Te ostatnie są zazwyczaj układami nietrwałymi, złożonymi z cząsteczek substancji stałej w cieczy lub gazie.

Slide 5

Mieszanina a związek chemiczny MIESZANINY ZWIĄZKI CHEMICZNE Właściwości chemiczne składników są zachowane. Właściwości chemiczne składników zanikają zupełnie. Można je rozdzielić na składniki metodami fizycznymi Można je rozdzielić na składniki, czyli pierwiastki chemiczne, tylko na drodze reakcji chemicznej. Właściwości fizyczne są zawsze pośrednie. Właściwości fizyczne mogą przekraczać wartości charakterystyczne dla pierwiastków, które te związki tworzą. Skład ilościowy i jakościowy może być dowolny. Ma ściśle określony skład jakościowy i ilościowy ( prawo stałości składu). Zawiera różne cząstki składowe. Zawiera cząsteczki jednego rodzaju. Może zawierać wiele składników. Zawiera zwykle niewielką liczbę składników.

Slide 6

ZAWIESINY Mieszaniny niejednorodne, w których średnica cząsteczek substancji rozproszonej jest większa od średnicy ośrodka rozpraszającego i wynosi powyżej 10-7m. Metody rozdzielania: sączenie przez materiał porowaty sedymentacja w polu grawitacyjnym ziemskim dekantacja, tzn. ostrożne zlanie cieczy znad osadu segregacja mechaniczna (jeżeli ziarna poszczególnych składników są dostatecznie duże) Sedymentacja jest jednym z podstawowych procesów wykorzystywanych w oczyszczaniu wody do usuwania z niej cząstek o gęstości większej od gęstości wody, a więc cząstek opadających. Opadanie cząstek w wodzie jest zjawiskiem złożonym i zależy między innymi od ich stężenia, wymiaru, kształtu, gęstości i temperatury oraz prędkości i kierunku przepływu wody. W zależności od charakteru i ilości zawiesin wyróżnia się: - opadanie cząstek ziarnistych - opadanie cząstek kłaczkowatych

Slide 7

KOLOIDY Mieszaniny w których średnica cząsteczek substancji rozproszonej jest większa od średnicy cząsteczek ośrodka rozpraszającego, jej wielkość waha się w granicach 10-9m 10-7m Stan rozproszenia koloidalnego jest bardzo rozpowszechniony, zarówno w świecie przyrody ożywionej (różnorodne białka, pektyny, węglowodany) i nieożywionej (gliny, mgły, pył wulkaniczny), jak również wśród związków otrzymanych sztucznie w laboratorium chemicznym (mydła, niektóre barwniki, siarka koloidalna, tlenki metali itd.). Oprócz tego w przyrodzie występuje dużo związków, których cząsteczki mają wymiary charakterystyczne dla układów koloidalnych, zwane są one eukoloidami (np. skrobia, celuloza, kauczuk, keratyna, kolagen glikogen itd.), znane są również syntetyczne eukoloidy, jak polistyreny i inne tworzywa sztuczne. Podczas rozpuszczania eukoloidów powstają samorzutnie układy koloidalne. Najbardziej rozpowszechnione są układy koloidalne o ciekłym ośrodku dyspersyjnym, zwane roztworami koloidalnymi, liozolami lub zolami. Jeżeli ośrodek dyspersyjny jest wodą, zwane są hydrozolami, jeżeli alkoholem alkozolami, jeżeli benzenem - benzenozolami itd. Ogólnie, jeżeli ośrodek dyspersyjny jest cieczą organiczną, układy koloidalne nazywa się organozolami, jeżeli zaś gazem gazozolami (w przypadku powietrza - aerozolami).

Slide 8

Podział koloidów ze względu na powinowactwo substancji rozproszonej do fazy rozpraszającej Koloidy liofilowe Koloidy liofobowe Koloidy liofilowe charakteryzują się dużym powinowactwem do rozpuszczalnika, cząstki koloidowe otaczają się otoczka solwatacyjną, która jest czynnikiem nadającym im trwałość. Jeśli fazą rozpraszającą jest woda wówczas nazywamy je koloidami hydrofilowymi. Przykłady: żelatyna, białko, insulina, kwas krzemowy Koloidy liofobowe wykazują mniejsze powinowactwo do rozpuszczalnika, nie otaczają się otoczką solwatacyjną. Czynnikiem stabilizującym je jest głównie ładunek elektryczny. Cząstka fazy rozproszonej adsorbuje na swej powierzchni jony określonego jednego znaku Przykłady: zole metali Au, Pt, Ag, chlorek srebra

Slide 9

Podział koloidów ze względu na suchą pozostałość powstałą po usunięciu ( odparowaniu) ośrodka rozpraszającego. Koloidy odwracalne Koloidy nieodwracalne Koloidy odwracalne - sucha pozostałość przechodzi z powrotem do roztworu pod działaniem nowej ilości fazy rozpraszającej. Koloidy nieodwracalne brak powtórnego utworzenia roztworu

Slide 10

Otrzymywanie koloidów Metody dyspersyjne Polegają na rozdrabnianiu cząstek o wymiarach większych od 500nm, aż do uzyskania wymiarów charakterystycznych dla roztworów koloidalnych. Należą tu głównie: rozdrabnianie mechaniczne (rozcieranie), metoda Brediga, polegająca na rozpyleniu głównie czystych metali w łuku Volty, peptyzacja (polega na działaniu roztworem odpowiedniego elektrolitu na świeżo wytrącony trudno rozpuszczalny osad), rozpylanie za pomocą ultradźwięków, rozpylanie katodowe, termiczne itd. Metody kondensacyjne (rozdrabnianie na drodze przemian chemicznych) Polegają na łączeniu cząsteczek lub jonów w większe zespoły aż do osiągnięcia rozdrobnienia koloidalnego. Najważniejsze z tego typu metod to zmniejszenie rozpuszczalności, redukcja, czasem utlenienie, hydroliza, polimeryzacja, metoda zarodnikowa i inne. Np; 2H 2S SO2 2H 2O 3S AgNO 3 NaCl NaNO 3 AgCl

Slide 11

Niektóre właściwości układów koloidalnych Właściwości mechaniczne ruchy Browna nieustanne, chaotyczne ruchy (postępowe, obrotowe i drgające) cząstek fazy rozproszonej w ośrodku ciekłym lub gazowym Dyfuzja Ruch cząsteczek pod wpływem różnicy stężeń pomiędzy rożnymi częściami roztworu (od większego do mniejszego). Sedymentacja Tendencja do opadania pod wpływem siły ciężkości. Osmoza Jednostronna dyfuzja rozpuszczalnika przez błonę półprzepuszczalną. Czynnik warunkujący to ciśnienie osmotyczne. Właściwości optyczne Efekt Tyndalla Rozmiary cząsteczek koloidalnych powodują że światło przepuszczane przez układ koloidalny ulega na cząstkach ugięciu i częściowemu rozproszeniu - charakterystyczny stożek Tyndalla. Intensywność tego zjawiska jest tym większa, im większa jest różnica między współczynnikiem załamania fazy rozproszonej i ośrodka dyspersyjnego.

Slide 12

Właściwości elektryczne Na skutek adsorpcji jonów elektrolitu z roztworu na powierzchni cząstki koloidalnej powstaje ładunek elektryczny. W wyniku tej adsorpcji tworzy się podwójna warstwa elektryczna złożona z powłoki wewnętrznej, czyli adsorpcyjnej, przylegającej mocno do powierzchni zewnętrznej, będącej warstwą jonów przeciwnego znaku. Zależnie od tego jakie jony są adsorbowane na powierzchni, cząstka może być naładowana albo ujemnie albo dodatnio. Jednak znak ładunku elektrycznego nie jest ich cechą charakterystyczną. Ta sama bowiem cząstka koloidalna może mieć ładunek dodatni lub ujemny, zależnie od środowiska. Na przykład koloidalny jodek srebra AgJ w roztworze zawierającym jony srebra jest naładowany dodatnio, w roztworze zaś zawierającym jony jodkowe ujemne. Cząstka dowolnego koloidu posiadająca ładunek nosi nazwę miceli.

Slide 13

Koagulacja Właściwości elektryczne układów koloidalnych decydują o ich zdolności do koagulacji. Koagulacja polega na zmniejszeniu się stopnia dyspersji układów koloidalnych, a więc na łączeniu się cząstek fazy rozproszonej w większe zespoły w wyniku obniżania ładunku elektrycznego powierzchni cząstki koloidalnej. Podczas koagulacji zole przechodzą w żele (usieciowane koloidy) lub osady . Koagulacja może być odwracalna i nieodwracalna. Odwracalna jest wówczas, gdy żel można z powrotem przeprowadzić w zol. Nosi ona wtedy nazwę peptyzacji. Koagulację koloidów mogą na ogół wywoływać następujące czynniki: - dodatek elektrolitu, - dodatek koloidu o ładunku przeciwnym, co powoduje rozładowanie cząstek, -naświetlanie radiochemiczne (np. promieniowanie b powoduje koagulację zoli dodatnich), - działanie mechaniczne (mieszanie, wytrząsanie), - ogrzewanie (np. ścinanie się białka), - dehydratacja lub desolwatacja przez dodanie środków odwadniających, np. alkoholu lub acetonu, -odparowanie lub wymrażanie ośrodka dyspersyjnego. Peptyzacja Zjawisko przechodzenia osadu koloidalnego lub (żelu) w koloid (odwrotność koagulacji).

Slide 14

Koloidy liofobowe Koloidy liofilowe Otrzymywanie metodą dyspersji lub kondensacji przez zwykłe rozpuszczanie Struktura cząstek zespoły cząsteczek cząsteczki olbrzymy Stężenie fazy rozproszonej na ogół nieznaczne może być duże Ruchy Browna występują wyraźnie często bardzo niewyraźne Efekt Tyndalla wyraźny niewyraźny Ładunek elektryczny cząstki są zawsze naładowane ładunek nieznaczny lub brak Lepkość nieznaczna znaczna Tworzenie piany nie tworzą piany łatwo tworzą pianę Tworzenie galaret nie tworzą tworzą łatwo Wrażliwość na elektrolit duża, zachodzi koagulacja mała Trwałość trwałość tych koloidów wiąże się z istnieniem sił elektrostatycznego odpychania cząstek fazy rozproszonej wywołanych przez jednoimienne ładunki powierzchniowe trwałość tych koloidów wiąże się z istnieniem otoczki salwatacyjnej Charakter koagulacji z reguły nieodwracalna z reguły odwracalna

Slide 15

Trochę pojęć koagulat - substancja rozpuszczona powstała po odparowaniu rozpuszczalnika z koloidu żel - typowa forma koagulatu, układ o wyglądzie zbliżonym do ciała stałego, często miękki i elastyczny koagulacja - proces przejścia koloidu w koagulat, polega na łączeniu się cząstek koloidalnych w wielkie agregaty tworzące nieregularną sieć peptyzacja - proces przejścia koagulatu w koloid (odwrotność koagulacji) galareta - substancja powstała rozpuszczenia płatków żelatyny w gorącej wodzie i ochłodzeniu roztworu emulsje - są to układy rozproszone, w których zarówno substancja jak i ośrodek rozpraszający są cieczami. emulgator - stabilizujący układ dodawany do typowych emulsji; składa się zazwyczaj z dwóch części: hydrofobowej (zwykle dość długiej i oznaczonej na rysunkach kolorem zielonym) oraz hydrofilowej (niewielkiej oznaczonej na rysunkach kolorem pomarańczowym) piany - są to układy dyspersyjne, w których substancją rozpuszczoną jest gaz, a ośrodkiem dyspersyjnym ciecz lub ciało stałe; z reguły nietrwałe

Slide 16

MIESZANINY JEDNORODNE Roztwór - jest jednorodną mieszaniną składającą się z rozpuszczalnika i jednej lub większej ilości substancji rozpuszczonej. Roztwory właściwe złożone są z cząsteczek lub jonów o rozmiarach mniejszych niż 10-9m. Powszechnie jest używany do roztworów ciekłych. Chemicy mówią również o roztworach gazowych (mieszanina gazów) i o roztworach stałych (stopy). ROZTWORY GAZOWE CIEKŁE STAŁE (stopy)

Slide 17

Roztwory ciekłe Roztwory ciekłe powstają przez rozpuszczenie w cieczy substancji gazowych, ciekłych lub stałych. Roztwór rozpuszczalnik substancja rozpuszczona roztwór Typy rozpuszczalników Najważniejszą cechą fizyczną rozpuszczalników jest ich polarność. Rozpuszczalniki polarne tworzą cząsteczki o dużych momentach dipolowych ( woda, amoniak). Na poziomie mikroskopowym substancje rozpuszczone w rozpuszczalnikach polarnych ulegają solwatacji. Cząsteczki rozpuszczalnika zostają uporządkowane wokół cząsteczek rozpuszczonych. W rzeczywistości solwatacja polega na oddziaływaniach typu donor akceptor, niekoniecznie tylko elektrostatycznej natury, dzięki czemu również cząsteczki elektrycznie obojętne mogą ulegać silnej solwatacji.

Slide 18

Cząsteczki rozpuszczalników niepolarnych wykazują co najwyżej mały moment dipolowy. Zazwyczaj lepiej rozpuszczają się w nich substancje niepolarne. W takich rozpuszczalnikach cząsteczki oddziałują głownie za pośrednictwem sił van der Waalsa. Niepolarne ciecze są zwykle słabymi rozpuszczalnikami dla cząsteczek polarnych, ponieważ słabe oddziaływania międzycząsteczkowe nie mogą konkurować z silniejszymi oddziaływaniami wewnątrz substancji rozpuszczanej. Na podobnej zasadzie substancje niepolarne nie mogą współzawodniczyć z silnymi oddziaływaniami międzycząsteczkowymi w rozpuszczalnikach polarnych i ich rozpuszczalność jest w takich rozpuszczalnikach słaba. W chemii często cytuje się pożyteczne uogólnienie podobne rozpuszcza podobne. Oznacza to, że rozpuszczanie występuje wówczas, gdy cząsteczki substancji rozpuszczanej mają strukturę i właściwości elektryczne podobne do cząsteczek rozpuszczalnika.

Slide 19

Woda jako rozpuszczalnik Woda jest najbardziej rozpowszechnionym rozpuszczalnikiem. Jednak daleko jej jeszcze do tego, aby być rozpuszczalnikiem uniwersalnym, ponieważ istnieje wielka liczba substancji, które z natury nie rozpuszczają się w wodzie. Jakie są więc czynniki wpływające na rozpuszczalność w wodzie? W przypadku wody sytuacja jest szczególnie złożona, ponieważ występujące wiązanie wodorowe ma tendencję do utrzymywania cząsteczek wody w stanie zasocjowanym. Na ogół woda jest słabym rozpuszczalnikiem dla niejonowych substancji rozpuszczanych. W szczególności węglowodory są praktycznie nierozpuszczalne w wodzie. W tych przypadkach wzajemne oddziaływanie wody i cząsteczek substancji rozpuszczanej jest tak słabe, że nie wydziela się dostatecznie dużo energii do zniszczenia struktury wody. Istnieją jednak pewne substancje, które dobrze rozpuszczają się w wodzie, np. amoniak NH 3 czy alkohol etylowy C2H5OH. W przypadku amoniaku powstają wiązania wodorowe pomiędzy N z amoniaku i O z wody, a w przypadku alkoholu etylowego- pomiędzy O z alkoholu i O z wody. Cukry jak np. sacharoza C12H22O11, swoją znakomitą rozpuszczalność zawdzięczają w dużym stopniu wiązaniu wodorowemu, ponieważ podobnie jak C2H5OH zawierają one grupy OH. Związki jonowe dobrze rozpuszczają się w wodzie, ponieważ cząsteczki wody stanowią dipole, dzięki czemu mogą atakować zarówno kation na powierzchni kryształu, zbliżając się do niego ujemnym biegunem dipola, jak też mogą wyrwać z sieci jonowej anion, zbliżając się do niego dodatnim biegunem dipola. Każdy jon uwolniony z sieci krystalicznej zostaje otoczony przez kilka cząsteczek wody. Zjawisko takie nosi nazwę hydratacji, w przypadku, gdy rozpuszczalnikiem jest woda. Rozpuszczalność substancji jonowych w wodzie zależy od subtelnej równowagi między energią sieci krystalicznej a energią uwodnienia i entropią jonów.

Slide 20

Rozpuszczanie Proces mieszania dwóch substancji prowadzący do otrzymania mieszaniny jednorodnej makroskopowo nazywa się rozpuszczaniem Rozpuszczanie możemy przyspieszyć przez: a) rozdrobnienie substancji rozpuszczanej b) mieszanie c) podgrzewanie Oczywiście prędkość rozpuszczania zależy od substancji, którą rozpuszczamy i użytego rozpuszczalnika. Roztwór nasycony - roztwór, w którym nie można rozpuścić więcej substancji w danej temperaturze. Roztwór nienasycony - roztwór, w którym można rozpuścić więcej substancji w danej temperaturze. Roztwór stężony - roztwór, w którym masa substancji rozpuszczonej jest znaczna (kilkadziesiąt procent) w stosunku do masy wody (rozpuszczalnika). Roztwór rozcieńczony - roztwór, w którym masa substancji rozpuszczonej jest mała (kilka procent) w stosunku do masy rozpuszczalnika. Roztwór przesycony to roztwór o stężeniu większym od stężenia roztworu nasyconego w danej temperaturze. Można go otrzymać przez uzyskanie roztworu nasyconego w temperaturze wyższej, pozbawienie go pozostałej stałej substancji rozpuszczanej (tak żeby nie było zarodków krystalizacji), a następnie ostrożne oziębianie tego roztworu. Roztwór przesycony jest termodynamicznie nietrwały.

Slide 21

Rozpuszczalność Jest to wielkość, którą wyznacza się doświadczalnie i wyraża ona masę substancji rozpuszczonej wyrażoną w gramach, którą możemy rozpuścić w 100 gramach rozpuszczalnika w określonej temperaturze i ciśnieniu. z utworzeniem roztworu nasyconego. msubst R 100 mrozp ms masa substancji rozpuszczonej w roztworze nasyconym w [g] mrozp masa rozpuszczalnika w [g]. Rozpuszczalność substancji zależy od: rodzaju substancji rozpuszczanej, rodzaju rozpuszczalnika, temperatury ( dla większości substancji), ciśnienia (dla gazów). efektu solnego (dla soli) wpływu wspólnego jonu (dla soli) kompleksowania (dla soli)

Slide 22

Rozpuszczalność, wraz ze wzrostem temperatury, z reguły rośnie dla cieczy i ciał stałych, zaś maleje dla gazów. Każdą substancję można zaliczyć do jednej z trzech grup: 1. substancja praktycznie nierozpuszczalna (rozpuszczalność poniżej 0,1g), 2. substancja słabo rozpuszczalna (rozpuszczalność w granicach 0,1-1g), 3. substancja dobrze rozpuszczalna (rozpuszczalność ponad 1g). Do 400g wody w temp.20C dodano 200g substancji po czym okazało się ze rozpuściła się tylko połowa ilości. Oblicz rozpuszczalność tej substancji w danej temp. 100 g m subst R 100 Dane: mH2O 400g R 100 mS 200g2 100g mrozp 400 g R 25 g

Slide 23

Stopy Stopami nazywamy stopienie ze sobą dwóch metali lub metali z niemetalami. Stopy posiadają zupełnie inne cechy niż metale wchodzące w ich skład. Obecnie stale stopowe wytwarzane są w wielkiej różnorodności gatunków. Zmienia się nie tylko substancje dodawane do stali, ale także sposoby obróbki cieplnej, by uzyskać materiał o pożądanych własnościach. Stal manganowa zawiera na przykład około 1 węgla i 11 do14 manganu. Używa się jej do wytwarzania elementów narażonych na wzmożone ścieranie. Typowa stal nierdzewna, składa się z żelaza oraz 18 chromu, 8 niklu oraz 0,08 węgla. Inne odmiany stali nierdzewnej zawierają od 12 do 30 chromu, często wraz z mniejszymi ilościami innych metali, jak nikiel, molibden czy miedź. Stopy te są szeroko stosowane w przemyśle oraz w wyrobach codziennego użytku. Stopy na bazie miedzi obejmują brąz, mosiądz oraz stopy miedziowoniklowe. Brąz jest najstarszym znanym stopem. Pierwotnie składał się z 75 miedzi oraz 25 cyny. Dzisiaj nazwa brąz odnosi się do szerokiej gamy stopów na bazie miedzi, zawierających różne dodatki, a niekiedy zupełnie nie zawierających cyny. Spośród najważniejszych odmian brązu należy wymienić fosforobrązy, wytwarzane przez dodanie do 0,5 fosforu do brązu o zawartości 85-90 miedzi. Przy zawartości fosforu nie większej niż 0,3 stop jest sprężysty i niemagnetyczny.

Slide 24

Mosiądz to stop miedzi i cynku, łączonych ze sobą w różnych proporcjach. Do tego podstawowego składu dodaje się często inne metale, przykładowo cynę, ołów i aluminium. Mosiądz łuskowy składa się w 70 z miedzi i w 30 z cynku. Mosiądz o dużej wytrzymałości na rozciąganie, twardszy i wytrzymalszy od mosiądzu łuskowego, produkowany jest przez stopienie miedzi i cynku z dodatkiem manganu, żelaza, cyny, ołowiu i aluminium. Jest to materiał łatwy do obróbki i do odlewania. Stopem z grupy mosiądzów jest również nowe srebro, czyli argentan lub po prostu mosiądz wysokoniklowy. Stop ten składa się z miedzi (normalnie około 65), cynku (około 17) oraz niklu (18). Nowe srebro nie zawiera w sobie ani grama srebra, jednak swym wyglądem bardzo przypomina ten szlachetny metal. Stopy aluminium mają stosunkowo krótką historię, gdyż ich wytwarzanie zaczęto w XX wieku. Nadające się do odlewania stopy aluminium zawierają do 15 krzemu oraz niewielkie dodatki metali, takich jak cynk, miedź żelazo, nikiel i mangan. Z tych lekkich stopów odlewane są bloki cylindrów, inne elementy silników spalinowych, a także elementy kadłubów samolotów. Stopy aluminium nadające się do kształtowania w trakcie takich procesów jak kucie, walcowanie lub ciągnięcie zawierają około 7 magnezu i około 1 manganu. Duraluminium zwykle zwiera, oprócz aluminium, 3,5-4,5 miedzi, po 0,4-0,7 magnezu i manganu oraz do 0,7 krzemu.

Slide 25

Bibliografia Chemia 1 S. Chejwowska Chemia nieorganiczna P. Cox Wikipedia.pl