Što su otopine; maseni udio i topljivost tvari

Mora, ali i sve površinske i podzemne vode, vodene su otopine različitih anorganskih i organskih tvari. U vodenim otopinama zbivaju se kemijski procesi bitni za život stanica, prema tome i za život uopće, ali i velik broj ostalih kemijskih reakcija.

Pogledajte videozapis Otopine i odgovorite na pitanja.

Otopine su homogene smjese koje se sastoje od otapala i otopljene tvari. Otopina je, primjerice homogena smjesa soli i otapala (najčešće vode) u kojoj je promjer čestica otopljene tvari manji od jednoga nanometra. Tvari koje se rabe za pripremu otopina mogu biti u čvrstom, tekućem i plinovitom agregacijskom stanju. Tako se, primjerice, u vodi otapaju kuhinjska sol, konzumni šećer, octena kiselina, ali i kisik. Osim vode, otapala mogu biti i organske tekućine, primjerice, heksan, etanol, aceton, kloroform i druge.

Miješanjem otapala i otopljene tvari dolazi do okruživanja čestica otopljene tvari mlekulama otapala. Taj se proces naziva solvatacija, a okruženi ioni solvatizirani ioni, dok se pojam hidratacije specifično odnosi na okruživanje čestica otopljene tvari molekulama vode kao otapala. Ioni okruženi molekulama vode nazivaju se hidratizirani. 

U kontekstu otopina često se spominju i koloidi. Valja naglasiti da se ovdje ne radi o pravim otopinama, nego o heterogenoj smjesi u kojoj je jedna tvar raspršena u drugoj tvari. Veličine čestica tvari koja je raspršena (disperzna faza) nisu veće od 1 μm. Takva je smjesa, primjerice mlijeko. Koloidi se od pravih otopina razlikuju i prema optičkim svojstvima. Usmjeri li se izvor uskoga snopa svjetlosti kroz takav sustav, primjetan je osvijetljeni stožac koji se širi u smjeru prolaska svjetlosti. Ta pojava karakteristična je za koloidne sustave i katkad suspenzije, a naziva se Tyndallov efekt.

Pri otapanju čvrstih tvari u vodi, primjerice natrijeva klorida, dolazi do razlaganja kristalne strukture i do hidratacije iona nastalih disocijacijom. 

Otapanjem čvrstih tvari razara se kristalna struktura. Za taj je proces potrebno utrošiti energiju. Tu energiju nazivamo entalpija kristalne strukture, Δ_ksH. Ona je pozitivnog predznaka i predstavlja razliku u energiji iona u kristalnoj strukturi i energije iona koji su u plinovitoj fazi. 

[latex]NaCl(s)\longrightarrow Na^+(g)+Cl^-(g)\enspace \enspace \enspace \enspace \Delta_{ks}H=788\enspace kJ\enspace mol^{-1}[/latex]

Između iona nastalih disocijacijom i molekula vode javljaju se privlačne sile zbog kojih se energija oslobađa. Tu energiju nazivamo entalpija hidratacije, Δ_hidH, i njen je predznak negativan. Jednaka je zbroju entalpije hidratacija kationa i aniona.

[latex]NaCl(s)\stackrel{H_2O}{\longrightarrow}Na^+(aq)+Cl^-(aq)\enspace \enspace \enspace \enspace \Delta_{hid}H=-784\enspace kJ\enspace mol^{-1}[/latex]

Toplina koja se apsorbira ili oslobađa pri otapanju tvari naziva se entalpija otapanja, Δ_solH, i jednaka je zbroju entaplije kristalne rešetke i entalpije hidratacije.

Hoće li se pri otapanju toplina apsorbirati ili osloboditi ovisi o odnosu entalpije kristalne rešetke i entalpije hidratacije. Prema tome, otpanje neke tvari može biti endotermno ili egzotermno, a energijske se promjene mogu prikazati entalpijskim dijagramom.

Maseni udio tvari X u otopini, w(X), određen je omjerom mase otopljene tvari, m(X), i mase otopine, m(otopine). Iskazuje se brojevima od 0 do 1 ili postotkom. 

Ovisnost topljivosti o temperaturi prikazuje se krivuljom topljivosti.

S pomoću podataka za maseni udio tvari u zasićenoj otopini može se izračunati topljivost tvari pri određenoj temperaturi prema sljedećoj formuli:

Dobivena brojčana vrijednost topljivosti tvari iskazuje se u gramima otopljene tvari na 100 g otapala.

Promotrite grafikon topljivosti različitih tvari izraženih u gramima na 100 g vode u ovisnosti o temperaturi i odgovorite na pitanja u 3. kvizu.

Topljivost plinova ovisi o:

• fizikalnim i kemijskim svojstvima plina
• o tlaku plina 
• temperaturi otapala.

Pri većem tlaku veća je topljivost plinova, a povećanjem temperature njihova se topljivost smanjuje (Henryjev zakon).