11.1 Upplausnarferlið

Í fyrri kafla þessa texta voru lausnir kynntar til sögunnar, skilgreindar sem einsleitar efnablöndur tveggja eða fleiri efna. Oft er einn hluti lausnar til staðar í verulega meiri styrk og er þá kallaður leysir. Aðrir hlutar lausnarinnar sem eru til staðar í tiltölulega minni styrk eru kallaðir leysið efni. Sykur er samgilt fast efni sem samanstendur af súkrósasameindum, C₁₂H₂₂O₁₁. Þegar þetta efnasamband leysist upp í vatni dreifast sameindir þess jafnt á meðal vatnssameindanna:

C_{12} H_{22} O_{11} (s) ⟶ C_{12} H_{22} O_{11} (a q)

Neðanskriftin „aq“ í jöfnunni táknar að súkrósasameindirnar eru leyst efni og eru því dreifðar hver fyrir sig um alla vatnslausnina (vatn er leysirinn). Þrátt fyrir að súkrósasameindir séu þyngri en vatnssameindir haldast þær dreifðar um alla lausnina; þyngdaraflið veldur því ekki að þær „setjist til“ með tímanum.

Kalíumdíkrómat, K₂Cr₂O₇, er jónaefni sem samanstendur af litlausum kalíumjónum, K⁺, og appelsínugulum díkrómatjónum, ${\text{C}{\text{r}}_{2}{\text{O}}_{7}^{{\text{2−}}}.}$ Þegar litlu magni af föstu kalíumdíkrómati er bætt út í vatn leysist efnasambandið upp og sundrast og gefur af sér kalíumjónir og díkrómatjónir sem dreifast jafnt um alla efnablönduna (Mynd 11.2), eins og sýnt er í þessari jöfnu:

The first photo shows a small mound of an orange crystalline solid. There is a right-facing arrow. The second photo shows a translucent, colorless liquid in a clear container. There is a right-facing arrow. The third photo shows a translucent orange liquid in a clear, covered container. — Mynd 11.2 Þegar kalíumdíkrómati (K₂Cr₂O₇) er blandað saman við vatn myndar það einsleita appelsínugula lausn. (heimild: breyting á verki eftir Mark Ott)

K_{2} C r_{2} O_{7} (s) ⟶ 2 K^{+} (a q) + C r_{2} O_{7}^{2−} (a q)

Eins og með efnablöndu sykurs og vatns er þessi efnablanda einnig vatnslausn. Leystu efnin í henni, kalíum- og díkrómatjónir, haldast dreifðar hver fyrir sig á meðal leysisameindanna (vatnsins).

Vatn er svo oft notað sem leysir að orðið lausn er farið að gefa í skyn vatnslausn fyrir mörgum. Hins vegar getur nánast hvaða gas, vökvi eða fast efni sem er virkað sem leysir. Margar málmblöndur (e. alloys) eru fastar lausnir þar sem einn málmur er leystur upp í öðrum; til dæmis innihalda fimm senta myntir í Bandaríkjunum nikkel leyst upp í kopar. Loft er gaslausn, einsleit efnablanda niturs, súrefnis og nokkurra annarra gastegunda. Súrefni (gas), alkóhól (vökvi) og sykur (fast efni) leysast öll upp í vatni (vökva) og mynda vökvalausnir. Tafla 11.1 sýnir dæmi um nokkrar mismunandi lausnir og fasa leystu efnanna og leysanna.

Tafla 11.1
Mismunandi gerðir lausna
Lausn	Leyst efni	Leysir
Loft	O₂(g)	N₂(g)
Gosdrykkir¹	CO₂(g)	H₂O(l)
Vetni í palladíum	H₂(g)	Pd(s)
Nuddspritt	H₂O(l)	C₃H₈O(l) (2-própanól)
Saltvatn	NaCl(s)	H₂O(l)
Messing	Zn(s)	Cu(s)

Lausnir sýna þessi einkennandi megineinkenni:

Þær eru einsleitar; eftir að lausn hefur verið blönduð hefur hún sömu samsetningu alls staðar (samsetning hennar er jöfn).
Eðlisástand lausnar — fast efni, vökvi eða gas — er yfirleitt það sama og leysisins, eins og dæmin í Tafla 11.1 sýna.
Innihaldsefni lausnar eru dreifð á sameindastigi; þau samanstanda af efnablöndu aðskilinna agna leysta efnisins (sameinda, atóma og/eða jóna) sem hver um sig er umlukin leysiefnum.
Leysta efnið í lausn mun ekki setjast til eða skiljast frá leysinum.
Efnasamsetningu lausnar, eða styrk íhluta hennar, er hægt að breyta stöðugt (innan marka sem ákvarðast af solubility íhlutanna, sem fjallað er um síðar í þessum kafla).

Myndun lausna

Lykilhugtök og samantekt

Lausn myndast þegar tvö eða fleiri efni blandast saman eðlisfræðilega og mynda efnablöndu sem er einsleit á sameindastigi. Leysirinn er sá íhluti sem er í hæstum styrk og ákvarðar fasa lausnarinnar. Leystu efnin eru hinir íhlutirnir sem eru venjulega í lægri styrk en leysirinn. Lausnir geta myndast á innverminn eða útverminn hátt, eftir hlutfallslegum styrk aðdráttarkrafta millisameinda leysis efnis og leysis. Kjörlausnir myndast án verulegrar orkubreytingar.

Efnafræði – Æfingar í lok kafla

Hvernig eru lausnir frábrugðnar efnasamböndum? Frá öðrum efnablöndum?

Hvaða megin-einkenni lausna eru augljós í lausnum K₂Cr₂O₇ sem sýndar eru í Mynd 11.2?

Þegar KNO₃ er leyst upp í vatni verður lausnin sem myndast verulega kaldari en vatnið var upphaflega.

(a) Er upplausn KNO₃ innvermið eða útvermið ferli?

(b) Hvaða ályktanir getur þú dregið um millisameinda-aðdráttarkraftana sem eiga þátt í ferlinu?

Gefðu dæmi um hverja af eftirfarandi tegundum lausna:

(a) gas í vökva

(b) gas í gasi

Tilgreindu mikilvægustu gerðir millisameinda-aðdráttarkrafta í hverri af eftirfarandi lausnum:

(a) Lausnin í Mynd 11.2.

(b) NO(l) í CO(l)

(d) HCl(g) í benseni C₆H₆(l)

(e) Metanól CH₃OH(l) í H₂O(l)

Spáðu fyrir um hvort hvert eftirfarandi efna væri auðleystara í vatni (skautaður leysir) eða í kolvetni eins og heptani (C₇H₁₆, óskautaður leysir):

(a) jurtaolía (óskautuð)

(b) ísóprópýlalkóhól (skautað)

Varmi losnar þegar sumar lausnir myndast; varmi frásogast þegar aðrar lausnir myndast. Gefðu sameindalega skýringu á muninum á þessum tveimur gerðum sjálfgengra ferla.

Lausnir af vetni í palladíum má mynda með því að láta Pd-málm komast í snertingu við H₂-gas. Styrkur vetnis í palladíum fer eftir þrýstingi H₂-gassins sem beitt er, en á flóknari hátt en hægt er að lýsa með lögmáli Henrys. Við ákveðnar aðstæður eru 0,94 g af vetnisgasi leyst upp í 215 g af palladíummálmi (eðlismassi lausnar = 10,8 g cm³).

(a) Ákvarðaðu mólstyrk þessarar lausnar.

(b) Ákvarðaðu mólalstyrk þessarar lausnar.

Myndun lausnar er dæmi um sjálfgengt ferli (e. spontaneous process), ferli sem á sér stað við tilteknar aðstæður án þess að þurfa orku frá utanaðkomandi uppsprettu. Stundum er efnablöndu hrært til að flýta fyrir upplausnarferlinu, en það er ekki nauðsynlegt; einsleit lausn mun myndast að lokum. Sjálfgengi er afar mikilvægt viðfangsefni í efnavarmafræði og er fjallað nánar um það í síðari kafla þessarar bókar. Í umfjöllun þessa kafla nægir að líta á tvö skilyrði sem styðja, en tryggja ekki, sjálfgenga myndun lausnar:

minnkun á innri orku kerfisins (útvermin breyting, eins og rætt var í fyrri kafla um varmaefnafræði)
aukin dreifing efnis í kerfinu (sem gefur til kynna aukningu á óreiðu kerfisins, eins og þú munt læra um í síðari kafla um varmafræði)

Í upplausnarferlinu verður oft, en ekki alltaf, breyting á innri orku þegar varmi er tekinn upp eða losaður. Alltaf verður aukning á dreifingu efnis þegar lausn myndast úr jafnri dreifingu sameinda leysta efnisins um allan leysinn.

Þegar styrkur millisameindatogkrafta milli agna leysta efnisins og leysisins í lausn er ekki frábrugðinn þeim sem eru til staðar í aðskildum efnisþáttum, myndast lausnin án nokkurrar orkubreytingar. Slík lausn er kölluð kjörlausn (e. ideal solution). Efnablanda kjörgasa (eða gasa eins og helíums og argons, sem nálgast mjög kjörhegðun) er dæmi um kjörlausn, þar sem einingarnar sem mynda þessi gös verða ekki fyrir neinum marktækum millisameindatogkröftum.

Þegar ílát með helíum og argon eru tengd saman blandast gösin sjálfkrafa vegna sveims og mynda lausn (Mynd 11.3). Myndun þessarar lausnar felur greinilega í sér aukningu á dreifingu efnis, þar sem helíum- og argonatóm taka rúmmál sem er tvöfalt stærra en það sem hvort um sig tók fyrir blöndun.

Two figures are shown. The first contains two spherical containers joined by a closed stopcock. The container to the left is labeled H e. It holds about thirty evenly dispersed, small, light blue spheres. The container on the right is labeled A r and contains about thirty slightly larger blue-green spheres. The second, similar figure has an open stopcock between the two spherical containers. The light blue and green spheres are evenly dispersed and present in both containers. — Mynd 11.3 Sýni af helíum og argon blandast sjálfkrafa og mynda lausn.

Kjörlausnir geta einnig myndast þegar vökvar með svipaða byggingu eru blandaðir saman. Til dæmis mynda blöndur alkóhólanna metanóls (CH₃OH) og etanóls (C₂H₅OH) kjörlausnir, eins og blöndur kolvetnanna pentans, C₅H₁₂, og hexans, C₆H₁₄. Ef metanól og etanól, eða pentan og hexan, eru sett í kúlurnar sem sýndar eru á Mynd 11.3 mun það leiða til sama sveims og síðari blöndunar þessara vökva og sést fyrir He- og Ar-gösin (þó mun hægar), sem gefur lausnir án marktækrar orkubreytingar. Ólíkt gasblöndu verða efnisþættir þessara vökva-vökva lausna þó fyrir millisameindatogkröftum. En þar sem sameindir efnanna tveggja sem blandað er saman eru mjög svipaðar að byggingu, eru millisameindatogkraftar milli eins og ólíkra sameinda í raun þeir sömu, og upplausnarferlið felur því ekki í sér neina verulega aukningu eða minnkun á orku. Þessi dæmi sýna hvernig aukin dreifing efnis ein og sér getur veitt þann drifkraft sem þarf til að valda sjálfgengri myndun lausnar. Í sumum tilfellum getur hlutfallslegur styrkur millisameindatogkrafta milli agna leysta efnisins og leysisins hins vegar komið í veg fyrir upplausn.

Þrjár gerðir millisameindatogkrafta eru mikilvægar fyrir upplausnarferlið: leyst efni-leyst efni, leysir-leysir og leyst efni-leysir. Eins og sýnt er á Mynd 11.4 má líta á myndun lausnar sem þrepaskipt ferli þar sem orku er neytt til að yfirstíga togkrafta milli leysta efnisins og leysisins (innvermin ferli) og orka losnar þegar togkraftar milli leysta efnisins og leysisins myndast (útvermið ferli sem kallast leysishýðing (e. solvation)). Hlutfallsleg stærð orkubreytinga sem tengjast þessum þrepaskiptu ferlum ákvarðar hvort upplausnarferlið í heild sinni losar eða tekur upp orku. Í sumum tilfellum myndast lausnir ekki vegna þess að orkan sem þarf til að aðskilja agnir leysta efnisins og leysisins er svo miklu meiri en orkan sem losnar við leysishýðingu.

Mynd 11.4 Þessi skýringarmynd sýnir beina myndun lausnar sem ímyndað þrepaskipt ferli. Þrep 1 og 2 fela í sér aðskilnað/þenslu sameinda leysta efnisins og leysisins, sem bæði krefjast orkuinnlags til að yfirstíga millisameindatogkrafta og eru því innvermin. Þrep 3 felur í sér myndun millisameindatogkrafta milli sameinda leysta efnisins og leysisins (leysishýðing), og er því útvermið.

Lítum á dæmi um jónaefni sem leysist upp í vatni. Myndun lausnarinnar krefst þess að rafstöðukraftar milli katjóna og anjóna efnasambandsins (leyst efni-leyst efni) séu að fullu yfirstignir um leið og togkraftar myndast milli þessara jóna og vatnssameinda (leyst efni-leysir). Einnig þarf að yfirstíga vetnistengi milli tiltölulega lítils hluta vatnssameindanna til að rúma uppleyst efni. Ef rafstöðukraftar leysta efnisins eru verulega meiri en leysishýðingarkraftarnir er upplausnarferlið verulega innvermið og efnasambandið leysist ef til vill ekki upp að neinu marki. Kalsíumkarbónat, aðalefnisþáttur kóralrifja, er eitt dæmi um slíkt „óleysanlegt“ jónaefni (sjá Mynd 11.1). Á hinn bóginn, ef leysishýðingarkraftarnir eru mun sterkari en rafstöðukraftar efnasambandsins, er upplausnin verulega útvermin og efnasambandið getur verið mjög auðleyst. Algengt dæmi um þessa tegund jónaefnis er natríumhýdroxíð, almennt þekkt sem lútur.

Eins og fram kom í upphafi þessa kafla er sjálfgeng lausnarmyndun líklegri, en ekki tryggð, við útvermin upplausnarferli. Þótt mörg auðleyst efnasambönd leysist vissulega upp með losun varma, leysast sum upp á innverminn hátt. Ammóníumnítrat (NH₄NO₃) er eitt slíkt dæmi og er notað til að búa til skyndikuldabakstra, eins og þann sem sýndur er á mynd Mynd 11.5, sem eru notaðir til að meðhöndla meiðsli. Þunnveggjaður plastpoki með vatni er lokaður inni í stærri poka með föstu NH₄NO₃. Þegar minni pokinn er rofinn myndast lausn af NH₄NO₃ sem gleypir varma úr umhverfinu (meidda svæðinu sem baksturinn er lagður á) og myndar kaldan bakstur sem dregur úr bólgu. Innvermin upplausn eins og þessi krefst meiri orku til að aðskilja agnir leysta efnisins en fæst til baka þegar leystu efnin leysast upp, en hún er engu að síður sjálfgeng vegna aukinnar óreiðu sem fylgir myndun lausnarinnar.

This figure shows a single use instant cold pack with labels indicating an inner bag of water surrounded by white particulate ammonium nitrate. — Mynd 11.5 Skyndikuldabakstur verður kaldur þegar ákveðin sölt, eins og ammóníumnítrat, leysast upp í vatni – sem er innvermið ferli.

Neðanmálsgreinar

Ef gasbólur sjást í vökvanum er efnablandan ekki einsleit og því ekki lausn. ↩

Námsmarkmið