Lukemisto tätä jaksoa varten

Petrucci: Luku 13 (jaksot 1 – 6)

Johdanto

Liuokset ovat useamman kuin yhden aineen homogeenisia seoksia. Sana homogeeninen viittaa siihen, että seos on yksi faasi, jonka ominaisuudet ovat samat riippumatta siitä, mistä näyte otetaan.

Voitamme useimmiten varmistua siitä, että useammasta kuin yhdestä komponentista koostuva seos on liuos, pelkästään tarkastelemalla seosta. Jos näemme seoksen läpi (Clear), se on todennäköisesti yksifaasinen, eli liuos. Jos seos on läpinäkymätön, siinä on todennäköisesti kaksi tai useampia faaseja, jotka eivät sekoitu keskenään ja siten hajottavat valoa, mikä tekee siitä samean. Omenamehu on siis liuos, kun taas maidossa on vettä, öljypisaroita ja jonkin verran maidon kiinteitä aineita, jotka kaikki ovat suspensiossa mutta eivät liukene toisiinsa. Voimme nähdä tämän paremmin, jos jätämme homogonisoimattoman maidon seisomaan hetkeksi. Kerma (öljyt) nousee pintaan ja jättää alleen läpikuultavamman nesteen (enimmäkseen vettä, jossa on jonkin verran suspendoitunutta kiintoainetta, jota kutsutaan voimaidoksi). Fysikaalisella jatkokäsittelyllä (esim. sentrifugoimalla) voimme erottaa maidon komponentit toisistaan vielä enemmän. On selvää, että seos, jonka näimme ”maidoksi”, ei ollut liuos, vaikka siinä saattoi olla joitakin komponentteja, jotka olivat sitä (esim. useampi kuin yksi öljytyyppi liukeni toisiinsa, jolloin öljystä tuli kerman osa.

Kun teet havaintoja nesteseoksista laboratoriossa, on siis tärkeää ilmoittaa kuvaamasi nestenäytteen värin (punaista, sinistä, vaaleanpunaista…) lisäksi myös sen kirkkaus (kirkas, läpinäkymätön, samea, samea, maitomainen…). Omenamehu on siis kirkas ja keltainen liuos, kun taas maito on läpinäkymätön, valkoinen seos. Kirkkaushavainnon avulla voimme varmuudella sanoa, että omenamehu on yksifaasinen ja siksi se on liuos, kun taas maito ei ole yksifaasinen ja siksi se ei ole yksittäinen liuos.

Liuokset voivat olla kiinteitä, nestemäisiä tai kaasumaisia (nestemäiset liuokset kiinnostavat kemistiä eniten).

Kaasufaasiset liuokset

Kaasufaasiset liuokset muodostuvat helposti mistä tahansa kaasujen sekoituksesta, koska kaasun molekyylit vuorovaikuttavat niin harvoin toistensa kanssa. Jos kaasuseos ei varsinaisesti reagoi, kaasufaasiliuos muodostuu lähes varmasti (ainakin huoneenlämmössä ja -paineessa)

Nestemäinen faasi

Nestemäisessä faasissa molekyylit ovat niin lähellä toisiaan, että molekyylien välisistä voimista tulee tärkeitä. Tässä vaiheessa liuos muodostuu (vaikkapa) kahden lajin A ja B välille vain, jos molekyylien väliset voimat A—A, B—B ja A–B ovat suunnilleen samat.

Esimerkiksi heksaani ja heptaani ovat kaksi ei-polaarista nestettä. Molempien puhtaiden nesteiden molekyylien väliset voimat ovat pääasiassa dispersiovoimia, jotka johtuvat tilapäisistä dipoleista. Nämä ovat varsin heikkoja voimia. Kuitenkin molekyylien väliset voimat, joita heksaanin ja heptaanin välillä olisi, olisivat myös luonteeltaan pääasiassa dispersiovoimia. Näin ollen muodostuu nestemäinen liuos. Näiden kahden nesteen sanotaan olevan keskenään täysin sekoittuvia.

Jos toisen molekyylin voimat omalle lajilleen ovat paljon suuremmat kuin toisen molekyylin voimat, liuosta ei välttämättä muodostu. Otetaan esimerkiksi vesi ja heksaani. Vesi on polaarinen molekyyli ja lisäksi se sitoutuu muihin vesimolekyyleihin vetysidoksilla. Nämä ovat kaksi vahvempaa (ja voimakkainta) molekyylien välistä voimaa (verrattuna dispersiovoimiin). Heksaani sen sijaan ei pääse mukaan kumpaankaan näistä kahdesta vuorovaikutustyypistä, joten se ei sekoitu veden kanssa. Näiden kahden nesteen sanotaan olevan keskenään sekoittumattomia.

Kiinteä faasi (kiteet)

Kiinteässä faasissa molekyylien väliset voimat eivät ole ainoastaan hyvin määriteltyjä, vaan kiinteän aineen kiteet muodostavat jäykkiä atomijärjestelyjä, joiden etäisyydet toisistaan ovat varsin säännöllisiä. Jotta toisenlainen molekyyli mahtuisi, sen on oltava kooltaan ja muodoltaan samanlainen kuin isäntämolekyylit (tai -atomit).

Yleisiä tämäntyyppisiä kiinteitä ”liuoksia” löytyy muun muassa jalokivistä ja metalliseoksista.

Liuosten koostumus:

Molaarisuus

Esimerkkeinä käsiteltävien liuosten koostumuksen ilmoittamiseen on useita yleisiä menetelmiä. Se, mitä menetelmää käytämme, riippuu pitkälti siitä, mihin tarkoitukseen käytämme sitä. Useimmissa suhteellisen laimeissa liuoksissa, joissa tarvitsemme nopeita ja helppoja laskutoimituksia, joissa liuoksen moolien määrä suhteutetaan tilavuuteen, käytämme molaarisuutta. Konsentraatio voidaan laskea seuraavasti:

\

missä n = liuenneen aineen moolien lukumäärä ja V = liuoksen tilavuus. Näin saadaan konsentraatio yksiköissä :
M ≡ mol × litra-1 tai mol × L-1.

Ole varovainen yhtälöiden kanssa. Oppilaat sekoittavat usein yhtälöissä käytetyt muuttujien symbolit laskutoimituksissa käytettyihin yksikkösymboleihin. Tämä on esimerkki tästä. Tässä yhtälössä ei ole M-kirjainta muuttujana. Isoa M-kirjainta käytetään muuttujana muualla molaarisen massan kuvaamiseen, joten sitä ei pitäisi käyttää tässä yhtälössä konsentraation kuvaamiseen. Muuttujaa C käytetään edustamaan minkä tahansa yksikön konsentraatiota, ja tässä CM tarkoittaa konsentraatiota molaarisuutena. Molariteetiksi kutsuttu konsentraatioyksiköiden symboli on kursiivilla kirjoitettu iso M , jota käytämme oikotienä täysin kirjoitettuihin yksiköihin, jotka ovat liuenneen aineen mooleja litraa liuosta kohti (tai vain mol/L),

Esimerkki:

Näyte, jossa on 0,243 moolia kuivaa jauhemaista yhdistettä, liuotetaan 1,45 litraan nestemäistä liuotinta. Mikä on liuoksen moolipitoisuus?

Voidaan käyttää yllä olevaa yhtälöä tämän ratkaisemiseen yhdellä varoituksella. Yhtälön tilavuuden pitäisi olla litraa liuosta, mutta tässä esimerkissä annettu tilavuus on litraa liuotinta. Emme voi käyttää yhtä tilavuutta toisen tilavuuden sijasta yleissääntönä. Tässä tapauksessa lisäämme kuitenkin pienen määrän yhdistettä suureen nestetilavuuteen, joten vaikka nestetilavuuden on täytynyt muuttua, se ei muuttunut paljon. Jos teemme oletuksen, että muutos on mitätön, eli liuoksen tilavuus on yhtä suuri kuin liuottimen tilavuus, voimme jatkaa.

\

\

\

Vaihtoehtoisesti (varsinainen mieltymykseni) olisimme voineet yksinkertaisesti keksiä, miten tämä tehdään käyttämällä dimensioanalyysia. Koska tiedämme, että haluamamme konsentraation lopulliset yksiköt ovat mooleja litrassa, jaamme yksinkertaisesti liuenneen aineen moolien lukumäärän liuoksen tilavuudella litroina ja presto! sama vastaus ilman muistettavaa yhtälöä.

Molaarisuuden käytön yksi haittapuoli on se, että liuottimen tilavuus ei välttämättä ole liuoksen tilavuus ja siksi meidän on mitattava liuenneen aineen määrä ennen sekoittamista, mutta mitattava liuoksen tilavuus sekoittamisen jälkeen ja laskettava sitten. Molariteettikonsentraatiot ovat erittäin käyttökelpoisia kokeissa, joissa tehdään tilavuusmittauksia. Titraukset ovat hyvä esimerkki kokeesta, jossa molariteetti on sopivin käytettävä yksikkö. Titrauksessa mittaamme buretista lisätyn liuoksen tilavuuden ja voimme nopeasti laskea lisäämiemme moolien määrän.

\

Johtopäätöksenä toistan vielä kerran: käyttäkää dimensioanalyysia selvittääksenne, miten tämä tehdään, sen sijaan, että opettelette ulkoa nämä yhtälöt. Kun ymmärrät todelliset luvut, joita sinun täytyy käyttää n:lle ja V:lle, et tarvitse yhtälöä enää.

Molaliteetti

Joskus liuosten tilavuuksien mittaaminen sekoittamisen jälkeen ei ole helppoa tai ehkä se ei vain ole tärkeää. Tällaisissa tapauksissa molaarisuus ei välttämättä ole käyttökelpoinen yksikköjoukko. Vaihtoehtoinen yksikköjoukko konsentraatiolle on molaliteetti. Molaliteetti ei ole tilavuusyksikkö, eikä se olisi hyödyllinen tilanteissa, joissa on mitattava nestemäisten liuosten tilavuuksia. Se on kuitenkin erittäin käyttökelpoinen tilanteissa, joissa on yksinkertaisesti luotava liuoksia, joiden pitoisuudet tunnetaan. Molaliteetin yksikköinä käytetään mooleja liuennutta ainetta kilogrammaa liuotinta kohti. Käytämme oikotietä kursiivilla kirjoitettua pientä m-kirjainta molalille. Tämä yksikköjoukko tarkoittaa, että voimme nopeasti mitata gravimetrisesti sekä liuenneen aineen että liuottimen, sekoittaa ne keskenään ja saada liuoksen, jonka konsentraatio on helppo laskea molaliteetin yksiköissä.

\

Tässä Cm on muuttuja, joka edustaa konsentraatiota molaliteettina ilmaistuna (pienaakkosin m) n on liuenneen aineen mooleja, kuten molaliteetin määritelmässäkin, ja muuttuja m on liuottimen massaa (kilogrammoina).

Huomaa, että kirjainta m käytetään tässä kahdella tavalla. Muuttujana m edustaa liuottimen massaa kilogrammoina, mutta yksikkönä m on molaliteetin symboli. Konsentraatiomuuttujaan Cm liittyvä yksikkö on m, joka on lyhenne, joka edustaamoolia liuennutta ainetta kilogrammassa liuennutta ainetta (tai vain mol/kg).

Esimerkki:

Mikä on liuoksen, joka muodostuu lisäämällä 0.213 g oksaalihappoa (COOH)2 1200 g:aan vettä?

Tarvitsemme seuraavan yhtälön:

\

Tarvitsemme liuenneen aineen, oksaalihapon, moolimäärän, n. Voimme käyttää oksaalihapon moolimassaa muuttaaksemme g:n mooleiksi oksaalihappoa.

\

Nyt voimme laskea liuoksen konsentraation

\

Molaarinen fraktio

Molaarisuuden ja molaliteetin kaltaiset asteikot ovat käyttökelpoisia vain suhteellisen laimeiden liuosten tapauksessa, joissa toinen lajeista on selvästi runsaimmin läsnä (sitä kutsutaan liuottimeksi) ja toista lajia (liuennutta ainetta) on suhteellisen pienessä suhteessa. Suurimpaan osaan liuosten pitoisuusalueesta ei pääse käsiksi tämäntyyppisen teminologian avulla. entä jos meillä on liuos, jossa on yhtä monta moolia A:ta ja B:tä? Kumpi on liuennut aine? Kumpi on liuotin?

Mittari, joka toimii millä tahansa pitoisuusalueella ja joka ei tarvitse liuottimen ja liuottimen erottelua, on mooliosuus $\chi$, kun keskustelemme liuoksista, jotka muodostuvat laajalla pitoisuusalueella. Tästä konsentraatiomuuttujasta käytämme kreikkalaista kirjainta chi ( $\chi$, ei isoa X:ää), joka vastaa meidän C-kirjaintamme. Usein emme kuitenkaan tee eroa

Komponentin (i) moolifraktio usean komponentin seoksessa (I on komponenttien lukumäärä) määritellään seuraavasti

\

missä $\chi_i$ on komponentin i moolifraktio, ni on komponentin i moolien lukumäärä ja $n_T\;=\;\;\sum_i^I n_i$ on liuoksen moolien kokonaismäärä. Kunkin komponentin mooliosuus $\chi_i$ voi vaihdella välillä 0-1, jolloin 0 tarkoittaa, että liuoksessa ei ole yhtään yhdistettä i ja 1 tarkoittaa, että liuos koostuu 100-prosenttisesti yhdisteestä i. Kaikkien mooliosuuksien summan on aina oltava yhtä suuri kuin yksi, $\sum_i^I \chi_i\;= \chi_i;1$ .

Takaisin alkuun

Nesteen ja höyryn tasapaino

Kahden komponentin A ja B ideaaliliuoksessa molekyylien A—A, B—B ja A—B väliset molekyylien väliset voimat ovat kaikki samat. Todellisuudessa emme koskaan saa tätä toteutumaan, mutta voimme löytää ratkaisuja, joissa voimat ovat hyvin lähellä toisiaan. Yksi esimerkki seoksesta, joka muodostaa lähes ideaalisia liuoksia, on heksaani ja heptaani. Näillä kahdella ”suoraketjuisella” hiilivedyllä on samanlainen molekyylimassa (niiden pituus on kuusi ja seitsemän hiiliatomia). Molemmat ovat poolittomia, joten ne voivat vuorovaikuttaa keskenään vain dispersiotyyppisten molekyylien välisten voimien avulla.

Tarkastellaan heksaanin (A) ja heptaanin (B) seosta. Koska molemmat nesteet ovat haihtuvia, oletamme, että myös liuoksella on höyrynpaine. Höyry muodostuu näiden kahden kaasun seoksesta. Tämän seoksen kokonaispaine on Daltonin lain mukaan:

P*Soln = pA + pB {osapaineiden summa}

Ideaaliliuoksille voimme määrittää liuoksen kanssa tasapainossa olevan höyryn osapaineen komponentin liuoksen nesteen mooliosuuden funktiona. Tämä on Raoult’n laki:

pA = xAP*A ja pB = xBP*B

Substituoimalla ensimmäiseen yhtälöön saadaan,

P*Soln = xAP*A + xBP*B tai
P*Soln = xAP*A + (1-xA)P*B
= P*B + xA(P*A – P*B )

Tästä suhteesta, nähdään, että A:n ja B:n liuoksen höyrynpaine on A:n (tai B:n) mooliosuuden lineaarinen funktio, jossa P*B on leikkauspiste ja P*A – P*B on kaltevuus.

Liuoksen päälle kerääntyvän höyryn koostumus ei välttämättä ole sama kuin nesteen. Haihtuvampi komponentti haihtuu helpommin, joten sen mooliosuus höyryfaasissa on suurempi kuin nestefaasissa.
Voidaan kirjoittaa

A:n mooliosuus höyryfaasissa = yA

B:n mooliosuus höyryfaasissa = yB

Voidaan laskea nämä arvot liuoksen konsentraatioista Daultonin lain avulla seuraavasti.

Höyryn koostumuskäyrä voidaan piirtää alla olevan kuvan mukaisesti. Se on oikeastaan kaksi kuvaajaa, joista toinen (suora viiva) on liuoksen höyrynpaine nesteen koostumuksen xA funktiona ja toinen (kaareva viiva) on sama liuoksen höyrynpaine, mutta se on piirretty höyryn koostumuksen yA funktiona. Sen voidaan ajatella vetävän nesteviivaa oikealle (kohti haihtuvampaa nestettä A). Vaakasuorat yhdysviivat yhdistävät nämä kaksi käyrää siten, että millä tahansa tietyllä höyrynpaineella voidaan määrittää nesteen koostumusxA ja vastaava höyryn koostumus yA, kuten kuvien nuolet osoittavat.

Normaalisti emme tee kokeita vakiolämpötilassa, kuten kahdesta edellisestä kuvasta ja niitä koskevasta keskustelusta näytti ilmenevän. Siihen tarvittaisiin monimutkaisia paineenmittauslaitteita, suljettuja jäykkiä astioita ja vakiolämpötilalaitteita. Voimme paljon helpommin mitata lämpötilan kiinteässä paineessa (vaikkapa yksi baari) mooliosuuden funktiona. Näin saisimme kaavion liuoksen kiehumispisteestä liuoksen mooliosuuden funktiona. Tähän voidaan lisätä höyryn koostumuksen kuvaaja. Tämä käyrä voidaan laskea käyttäen samoja käsitteitä kuin edellä käsiteltiin vakiolämpötilan tapauksessa. Tuloksena saatava käyrä (ks. alla) on siirtynyt kohti korkeamman höyrynpaineen komponenttia aivan kuten edellä olevassa kaaviossa.

Tässä tapauksessa, koska tiedämme jo, että höyrynpaine ei ole lämpötilan lineaarinen funktio (vrt. Clausius-Clapeyronin yhtälö), emme odota kiehumispisteen suoraviivaista kuvaajaa koostumuksen funktiona. Ihanteellisessa liuoksessa suoran kaarevuus on kuitenkin vain vähäinen.

Tutkitaanpa tasapaksua viivaa tarkemmin. Yllä olevassa kuvaajassa ”T vs. mooliosuus A” on kolme aluetta.

1. Käyrien yläpuolella on yksi vaihe. Missä tahansa lämpötilassa ja moolifraktiotilanteessa kaikki komponentit ovat höyryfaasissa.
2. Käyrän alapuolella, on yksi faasi. Missä tahansa käyrän alapuolella olevassa lämpötilassa ja moolifraktiotilanteessa kaikki komponentit ovat nestefaasissa.
3. Jokainen lämpötila/koostumustilanne näiden kahden viivan välissä on kaksi faasia, jotka ovat tasapainossa keskenään. Toinen on kaasufaasi, jossa komponenttien mooliosuudet yi. Toinen on nestefaasi, jonka komponenttien mooliosuudet ovat xi.

Mille tahansa koeasetelmalle, jonka lämpötila/koostumuspiste on näiden kahden faasin välissä, voidaan laskea näiden kahden faasin suhteelliset määrät (moolien kokonaismäärä) käyttämällä pisteen molemmin puolin sijaitsevien yhtälöviivasegmenttien suhteellisia pituuksia. Alla oleva kaavio on suurennos edellisen kuvan sidontalinjan alueesta; sininen viiva kuvaa nestemäisen liuoksen koostumusta ja vihreä viiva höyryn koostumusta. Pystyakseli on lämpötila ja vaaka-akseli on komponentin A moolifraktio kaksikomponenttisessa seoksessa A ja B. Pystysuora violetti viiva edustaa systeemin (sekä neste- että höyryfaasin) yleistä moolifraktiota. Sideviivan pystysuora sijainti edustaa systeemin lämpötilaa.

Vipusäännön mukaan (joka kehitettiin ensin todellisia vipuja varten, mutta toimii tässäkin), segmentin pituus kertaa segmentin toisen puolen mooliluku on yhtä suuri kuin pituus kertaa toisen puolen mooliluku.

n1 × L1 = n2 × L2

järjestelemällä tätä hieman uudelleen voimme määrittää nesteen n1 moolien ja höyryn n2 moolien suhteen pituuksien L1 ja L2 avulla seuraavasti:

\

Tämä käy järkeen, jos katsomme kuvaajaa. Jos L1 on lyhyempi kuin L2 (kuten kuvassa), systeemin kokonaiskoostumus on lähempänä nestemäistä kuin höyryfaasia. Tämä tarkoittaa, että suurin osa ainemooleista on nestefaasissa.

Esimerkki: Suljetun systeemin, joka sisältää kaksi haihtuvaa sekoittuvaa nestettä A ja B, annetaan saavuttaa tasapaino. Systeemin kokonaismoolimäärä on 1,32 moolia. Tasapainossa 0,36 moolia havaitaan olevan höyryfaasissa. Mikä on viivasegmenttien L1 ja L2 pituuksien suhde yllä olevan kuvan mukaisessa viivakaaviossa?

nesteen mooleja (n1) = kokonaismoolit (nT)- höyryn mooleja (n2)

n1 = 1.32 mol – 0,36 mol = 0,96 mol.

\

\

Siten kahden viivasegmentin pituuksien suhde on 2,66. Tai L2 on 2,66 kertaa pidempi kuin L1.

Takaisin alkuun

Tislaus

Jos keräisimme kaiken kiehumispisteessä olevan nesteen yläpuolella olevan höyryn ja lauhduttaisimme sen, saisimme nesteen, jonka haihtuvamman komponentin pitoisuus olisi suurempi kuin lähtöaineen. Jos sitten kiehautamme tämän nesteen uudelleen, lisäämme jälleen haihtuvamman komponentin määrää syntyvässä tisleessä. Toistuvilla kiehuttamis-, tiivistämis- ja uudelleen kiehuttamisvaiheilla voimme lopulta erottaa nämä kaksi komponenttia toisistaan täysin. Tämä vaatisi kuitenkin äärettömän määrän vaiheita.

Takaisin alkuun

Azeotroopit

Olemme monimutkaisemmassa tilanteessa, kun kyseessä on kaksi nestettä A ja B, jotka sekoittuvat keskenään täydellisesti mutta joissa molekyylien välisten voimien voimakkuudet eroavat toisistaan huomattavasti. Mahdollisuuksia on kaksi:

1. Keskimääräiset molekyylien väliset voimat liuoksessa ovat voimakkaampia kuin yksittäisissä nesteissä
2. Keskimääräiset molekyylien väliset voimat liuoksessa ovat heikompia kuin yksittäisissä nesteissä.

Koska nestettä koossa pitävät molekyylien väliset voimat määräävät höyrynpaineen (ja siten nesteen kiehumispisteen), voimme ennustaa, että edellisessä tapauksessa (1) liuoksen odotettavissa olevan kiehumispisteen pitäisi olla korkeampi kuin jommankumman puhtaan nesteen kiehumispiste, kun taas jälkimmäisessä tapauksessa (2) liuos kiehuu alhaisemmassa lämpötilassa kuin jommankumman puhtaan nesteen kiehumispiste.

Tarkastellaan bentseenin ja etanolin liuosta. Bentseeni ja etanoli ovat täysin sekoittuvia, mutta molekyylien väliset voimat liuoksessa ovat pienemmät kuin yksittäisissä nesteissä. Koska molekyylejä pidättävät voimat ovat pienemmät, näiden voimien murtamiseen tarvittava energia (lämpötila) on pienempi. Näin ollen odotamme, että kiehumispistekäyrässä on minimi (ks. alla oleva kuva). liuoksen kiehumispisteen minimissä (etanolin mooliosuus = 0,46) havaitsemme myös, että höyryn koostumus on sama kuin nesteen. Tätä kutsutaan atseotrooppiseksi seokseksi, ja kiehumispistekäyrän tiettyä pistettä kutsutaan atseotroopiksi.

Maksimikiehuva atseotrooppi syntyy, kun seoksen molekyylien väliset voimat ovat vahvempia kuin yksittäisten nesteiden. Tämä johtaa siihen, että seoksella on korkeampi kiehumispiste (alhaisempi höyrynpaine) kuin yksittäisillä aineilla. Tällöin nesteen kanssa tasapainossa olevilla höyryillä on koostumukset pois atseotrooppisen seoksen koostumuksesta, kohti puhdasta nestettä.

Takaisin alkuun

Kiinteän nesteen tasapaino

Jos liuosta jäähdytetään riittävästi, se jäätyy. Annetaan jäätymisen tapahtua riittävän hitaasti, jolloin ulos kiteytyvä kiinteä aine on puhdasta. Lämpötila, jossa liuos alkaa jäätyä, riippuu liuoksen koostumuksesta. Otetaan esimerkiksi etikkahapon ja veden seos. Puhdas vesi jäätyy 0 ºC:ssa ja puhdas etikkahappo jäätyy +16,6 ºC:ssa. Seuraavaa kuvaa varten haluan selventää sanan tila ja sanan vaihe välistä eroa.

• Tila on yksi kolmesta tilasta, kiinteä, neste tai kaasu. Kyseisessä tilassa olevaa ainetta ei eroteta toisistaan.

• Vaihe edustaa tilaa, jossa kyseisessä tilassa olevan aineen koostumus on määritelty.

Yllä olevassa faasidiagrammissa on neljä eriväristä aluetta.

• Keltainen alue on yksivaiheinen nestemäinen liuos.
• Sininen alue edustaa yksivaiheista, mutta kaksivaiheista aluetta, jossa kiinteä jää ja kiinteät etikkahappokiteet ovat sekoittuneet keskenään (saattaa olla kiinteä liuos tai ei, oletetaan, että ei).
• Punainen alue edustaa kaksitilaista tasapainoa puhtaan kiinteän jään ja liuoksen välillä, jossa liuoksen koostumusta tietyssä lämpötilassa edustaa sen viivan sijainti, joka erottaa punaisen ja keltaisen alueen toisistaan.
• Violetti alue edustaa kaksitilaista tasapainoa puhtaan kiinteän etikkahapon ja liuoksen välillä, jonka koostumusta (tietyssä lämpötilassa) edustaa purppuranvärisen ja keltaisen alueen erottavan viivan sijainti.

Puna-keltaisen rajan ja violetin-keltaisen rajan leikkauspiste edustaa eutektista pistettä. Tämä edustaa tämän liuoksen alhaisinta sulamispisteen koostumusta. Etikkahappo, vesi -piste on -26,7 ºC:n lämpötilassa. Tämän lämpötilan alapuolella mikä tahansa jään ja etikkahapon seos on kiinteää.

Tämän kaavion avulla voidaan selittää useita erilaisia ilmiöitä.

Esitetään, että nestemäistä liuosta, jonka etikkahapon mooliosuus = 0,1, jäähdytetään hitaasti huoneenlämmöstä alkaen. Mitä faasisiirtymiä tapahtuu jäähdytyksen edetessä. Seuraa pystysuoraa viivaa (merkitty tähdellä) kohdassa x = 0,1.

• Ensimmäinen faasimuutos tapahtuu lämpötilassa, joka vastaa pistettä, jossa pystysuora viiva ylittää punaisen alueen. Tässä lämpötilassa liuoksesta alkaa kiteytyä jäätä. Tämä poistaa liuoksesta vettä, jolloin liuoksen etikkahappokonsentraatio kasvaa. Näin ollen jäätymispiste laskee. Tämä prosessi jatkuu lämpötilan laskiessa niin, että liuoksen koostumus seuraa punakeltaista rajaa eutektiseen pisteeseen asti.
• Eutektisen pisteen alapuolella sekä jää että kiinteä etikkahappo kiteytyvät.

Hyödynnämme näitä ominaisuuksia jokapäiväisissä kokemuksissamme, esimerkiksi autojen jäähdyttimiin laitamme etyleeniglykolin ja veden seosta. Näiden kahden yhdisteen oikeilla suhteilla saadaan aikaan liuos, joka jäätyy jopa -50ºC:n lämpötilassa. Vaikka liuos jäätyisikin, se jäätyy hitaasti, jolloin jäätymispiste laskee ja syntyy pikemminkin liukas seos kuin yksittäinen kiinteä faasi. Näin ollen jopa erittäin kylmissä lämpötiloissa, kuten Pohjois-Kanadassa, jäähdyttimen ”jäähdytysnesteen” seos virtaa moottorin läpi eikä tukkeudu.

Katsokaa kaaviota uudelleen. Jos teemme kokeen 10ºC:n lämpötilassa (puhtaan etikkahapon sulamispisteen alapuolella), jossa aloitamme puhtaasta vedestä ja lisäämme hitaasti etikkahappokiteitä, voimme seurata etenemistä sinistä katkoviivaa pitkin.

Aluksi etikkahappo liukenee veteen. Etikkahapon osuuden kasvaessa saavutamme pisteen, jossa katkoviiva ylittää violetin alueen. Purppurankeltaisen rajan takana näemme etikkahappokiteitä, jotka istuvat dekantterilasin pohjalla. Liuos olisi kylläinen (tasapainotilassa), ja riippumatta siitä, kuinka paljon lisäämme etikkahapon kiinteää ainetta dekantterilasiin, liukeneva määrä ei enää kasva. Jos kuitenkin nostamme lämpötilan huoneenlämpötilaan, loppu etikkahappo liukenee, kun siirrymme takaisin faasidiagrammin keltaiselle alueelle. Diagrammin avulla voidaan siis määrittää etikkahapon liukoisuus (pitoisuus tasapainotilassa) veteen missä tahansa lämpötilassa.

Aikaisilla tämänkaltaisilla faasidiagrammeilla on samat piirteet. Puhtailla nesteillä on niille ominaiset sulamispisteet, ja eutektinen piste edustaa liuoksen alhaisimman sulamispisteen koostumusta. On aina samat neljä aluetta ja aina voimme selittää jäätymis-/liuotusprosessit näiden diagrammien avulla.

Orgaanisessa kemiassa käytämme usein liuosten ominaisuuksia kertoaksemme, olemmeko erottaneet halutun yhdisteen oikein. Esimerkiksi synteesikokeissa, joita teet laboratoriossa, testaat valmistamiesi kiteiden puhtautta mittaamalla niiden sulamispisteen. Jos kiteesi sulavat oikeassa lämpötilassa hyvin määritellyssä lämpötilassa, kiteesi ovat todennäköisesti lähellä puhtaita. Jos ne sen sijaan sulavat laajalla lämpötila-alueella tai reilusti oikean sulamispisteen alapuolella, voit olla varma, että kiteesi eivät ole kovin puhtaita.

Takaisin alkuun

Liukoisuus

Joskus liuosten muodostamiseksi sekoitettavilla komponenteilla on hyvin erilaiset sulamispisteet. Otetaan esimerkiksi veden ja suolan, kuten KCl:n, sekoittaminen. Suola sulaa hyvin korkeassa lämpötilassa (770 ºC). Ainoa meitä kiinnostava osa faasidiagrammista on yllä olevassa kuvassa esitetty osa. Siinä näkyvät samat neljä aluetta, jotka havaitsimme veden ja etikkahapon faasidiagrammissa. Tässä tapauksessa tarkastelemme kuitenkin vain suhteellisen alhaisia KCl:n pitoisuuksia vedessä.

Seurataan (vasemmalta oikealle) huoneenlämpötilaa kuvaavaa vaakaviivaa. Kun lisäämme suolaa veteen, suola liukenee aluksi. Suola jatkaa liukenemista niin kauan kuin pitoisuus on keltaisella alueella. Lopulta suola ei enää liukene, vaan se vain laskeutuu dekantterilasin pohjalle. Liuoksen konsentraatiota, joka on tasapainossa kiinteän suolan kanssa, kuvaa vaakasuoran viivan ja violettikeltaisen rajaviivan leikkauspiste. Tämä on suolan liukoisuus mooliosuutena. Normaalisti liukoisuus mitataan liuenneen aineen mooleina litraa liuosta kohti. Voimme helposti muuntaa tässä määritetyn mooliosuuden yleisempiin yksiköihin, kuten molaarisuuteen. Voimme helposti nähdä, että kun liuoksen lämpötilaa nostetaan, myös liukoisuus nousee.

Voidaan myös nähdä, että kun suolaa lisätään veteen, aivan kuten edellisessä tapauksessa, veden sulamispiste laskee. Näin ollen suolan lisääminen jalkakäytävillä ja teillä olevaan jäähän laskee sulamispistettä ja (toivottavasti) jää sulaa. Monissa osissa Kanadaa, kuten Saskatchewanissa, lämpötila on talvella usein selvästi alle sen pisteen, jossa suolasta on hyötyä (~-20ºC), ja siksi sitä käytetään siellä harvoin.

Takaisin alkuun

Henryn laki

Yleiset kokemukset kertovat, että kaasutkin liukenevat nesteisiin. Esimerkiksi kalat voivat elää veden alla erottamalla kiduksillaan vedestä liuenneen hapen. Jos vesi muuttuu seisovaksi ja liuenneen hapen määrä vähenee ilmastoinnin (ilman sekoittumisen) puuttumisen vuoksi, monet kalalajit eivät voi elää siinä. Toiset lajit ovat kehittäneet erityisiä selviytymismekanismeja selviytyäkseen alhaisesta happipitoisuudesta…. Mutta se on toinen tarina.

Näemme myös nesteeseen liuenneen kaasun vaikutuksen aina, kun avaamme hiilihapollisen juoman. Juomaan on liuennut hiilidioksidia ja kun tölkki (tai pullo) on suljettu, kaasun paine nesteen yläpuolella on tasapainossa liuenneen kaasuliuoksen kanssa. Tämä on tietenkin liuoksessa olevan hiilidioksidin höyrynpaine. Kun tölkki avataan, hiilidioksidi, jonka höyrynpaine on korkeampi kuin normaali ympäristön paine, vapautuu ilmakehään ja neste alkaa kuplia, kun liuennut hiilidioksidi alkaa kehittyä takaisin kaasufaasiin. Jos purkkia ravistellaan ennen avaamista, CO2:n paine nesteen yläpuolella nousee huomattavasti, miksi?

Tästä havaintosarjasta nähdään, että nesteeseen liuenneen kaasun määrä on riippuvainen kahdesta asiasta. Ensimmäinen on kaasun osapaine nesteen yläpuolella. Toinen on kaasun liukenemis-/liukenemisnopeus.

Huolehdimme vain ensimmäisestä vaihtoehdosta ja oletamme, että on kulunut tarpeeksi aikaa tasapainon saavuttamiseen.

Henryn laki ilmaisee matemaattisesti sen, minkä olemme nähneet kokeellisesti,

\