2.4. Rozpuszczalność substancji

Mówimy o niektórych substancjach, że bardzo dobrze rozpuszczają się w wodzie. Nie znaczy to jednak, że substancje te mieszają się z nią w nieograniczonym stosunku. Gdyby tak było, to każdą jej ilość można byłoby rozpuścić w jednej kropli wody.

Już wiesz: 

  • że w wyniku rozpuszczania otrzymuje się roztwór;
  • że na szybkość rozpuszczania wpływają mieszanie, rozdrobnienie substancji rozpuszczanej, podwyższenie temperatury.

Nauczysz się: 

  • interpretować krzywe rozpuszczalności w celu określenia rozpuszczalności substancji;
  • rozróżniać pojęcia: roztwóoru nasyconego, roztworu nienasyconyego oraz roztworu rozcieńczonego i roztworu stężonego;
  • opisywać zmiany rozpuszczalności ciał stałych i gazów w wodzie w zależności od temperatury.

1. Czy w tej samej ilości wody rozpuszcza się taka sama ilość każdej substancji?

Doświadczenie 2.4.1. Czy wszystkie substancje rozpuszczają się w wodzie w tym samym stopniu?

Problem badawczy:  
Czy w określonej objętości (masie) wody można rozpuścić jednakową masę różnych substancji?
Hipoteza: 
Wybierz jedną z przedstawionych hipotez, a następnie zweryfikuj ją.
W tej samej objętości (masie) wody rozpuszczają się niejednakowe masy różnych substancji.
W tej samej objętości (masie) wody rozpuszczają się jednakowe masy różnych substancji.
Co będzie potrzebne: 
  • zlewki,
  • bagietki,
  • łyżeczki,
  • woda,
  • siarczan(VI) miedzi(II),
  • chlorek sodu (sól kuchenna),
  • cukier spożywczy (sacharoza),
  • jodek potasu.
Instrukcja: 
  1. 1.
    Do pięciu zlewek o jednakowej objętości wlej identyczną objętość wody (10 cm3).
  2. 2.
    Do każdej z nich wsyp 3 g substancji:
    1. a.
      do zlewki 1. – siarczanu(VI) miedzi(II),
    2. b.
      do zlewki 2. – chlorku sodu,
    3. c.
      do zlewki 3. – cukru spożywczego,
    4. d.
      do zlewki 4. – jodku potasu.
  3. 3.
    Zawartość wszystkich zlewek mieszaj w identyczny sposób za pomocą bagietki.
  4. 4.
    Obserwuj szybkość zanikania poszczególnych substancji.
Podsumowanie: 
Po pewnym czasie chlorek sodu, cukier i jodek potasu uległy rozpuszczeniu. W zlewce z siarczanem(VI) miedzi(II) pozostały nierozpuszczone kryształy. W tej samej objętości wody i w tej samej temperaturze mogą rozpuścić się różne masy substancji.
W takiej samej objętości wody rozpuszczają się różne masy różnych substancji.

2. Czy ilość substancji rozpuszczanej zależy od temperatury rozpuszczalnika?

Doświadczenie 2.4.2. Wpływ temperatury na rozpuszczanie substancji stałej w wodzie na przykładzie azotanu(V) potasu

Problem badawczy:  
Czy temperatura ma wpływ na ilość substancji stałej (azotanu(V) potasu), jaką można rozpuścić w określonej objętości wody?
Hipoteza: 
Im wyższa temperatura wody, tym więcej substancji (azotanu(V) potasu) można w niej rozpuścić.
Co będzie potrzebne: 
  • zlewki,
  • palnik (czajnik),
  • płytka ceramiczna,
  • woda,
  • azotan(V) potasu.
Instrukcja: 
  1. 1.
    Do dwóch zlewek wlej po 10 cm3 wody różniącej się temperaturą (np. 20 i 50°C).
  2. 2.
    Wsyp do każdej z nich po 5 g azotanu(V) potasu.
  3. 3.
    Dokładnie mieszaj zawartość obu zlewek.
  4. 4.
    Porównaj ilość rozpuszczonej substancji w wodzie o różnej temperaturze.
Podsumowanie: 
Azotan(V) potasu nie rozpuścił się całkowicie w chłodnej wodzie, natomiast w ciepłej – tak. Ilość substancji rozpuszczonej w wodzie zależy od temperatury i w przypadku azotanu(V) potasu rośnie wraz z jej wzrostem.

Doświadczenie 2.4.3. Wpływ temperatury na proces rozpuszczania gazów w wodzie – na przykładzie dwutlenku węgla

Problem badawczy:  
Jaki wpływ na rozpuszczanie gazu w wodzie ma temperatura?
Hipoteza: 
Wybierz jedną z przedstawionych hipotez, a następnie zweryfikuj ją.
Im wyższa temperatura wody, tym mniej gazu się w niej rozpuści (ilość gazu rozpuszczonego w wodzie maleje wraz ze wzrostem temperatury).
Im wyższa temperatura wody, tym więcej gazu się w niej rozpuści (ilość gazu rozpuszczonego w wodzie rośnie wraz ze wzrostem temperatury).
Co będzie potrzebne: 
  • zlewki,
  • woda o temperaturze pokojowej,
  • wrzątek,
  • woda gazowana schłodzona w lodówce,
  • woda gazowana o temperaturze pokojowej.
Instrukcja: 
  1. 1.
    Do trzech zlewek o identycznej objętości wlej jednakową objętość schłodzonej w lodówce wody gazowanej (kilkadziesiąt cm3).
  2. 2.
    Do każdej z nich dodaj taką samą objętość „zwykłej” wody o różnej temperaturze:
    1. a.
      do pierwszej zlewki – wodę schłodzoną w lodówce,
    2. b.
      do drugiej zlewki – wodę o temperaturze pokojowej,
    3. c.
      do trzeciej zlewki – wodę o temperaturze około 100°C (wrzątek).
  3. 3.
    Obserwuj pojawianie się pęcherzyków gazu w zlewkach. Porównaj ilość pęcherzyków.
Podsumowanie: 
Po dodaniu gorącej wody do wody mineralnej wzrasta jej temperatura i wydzielają się z niej pęcherzyki gazu. Im wyższa była temperatura dodanej wody, tym więcej wydzielało się gazu. Wraz ze wzrostem temperatury maleje ilość gazu rozpuszczonego w wodzie.
Ilość substancji, która może ulec rozpuszczeniu w wodzie, zależy od temperatury. W przypadku gazów ilość ta maleje wraz ze wzrostem temperatury, natomiast dla ciał stałych wielkość ta na ogół rośnie.

3. Roztwór nasycony i nienasycony

Jeśli w roztworze wodnym znajduje się maksymalna ilość substancji rozpuszczonej, a kolejna dodana porcja substancji nie ulegnie już rozpuszczeniu, to mamy do czynienia z roztworem nasyconym. Każdy inny roztwór, który nie osiągnął stanu nasycenia, określa się mianem roztworu nienasyconego.
Z uwagi na zależność między ilością substancji rozpuszczonej od temperatury roztwór, który jest nasycony w temperaturze niższej, nie będzie już nim w temperaturze wyższej, w której najczęściej może rozpuścić się więcej substancji.
Chemicy posługują się także określeniami roztworów odnoszącymi się do ilości rozpuszczonej w nich substancji. Wyróżniają na tej podstawie:
  • roztwór stężony, w którym ilość substancji rozpuszczonej jest identyczna jak w roztworze nasyconym lub niewiele mniejsza;
  • roztwór rozcieńczony, czyli roztwór, który zawiera co najmniej kilkakrotnie mniej substancji niż roztwór stężony.
Każdy roztwór nasycony jest roztworem stężonym, ale nie każdy roztwór stężony jest nasyconym.
Każdy roztwór rozcieńczony jest jednocześnie nienasyconym, ale roztworem nienasyconym może być zarówno roztwór rozcieńczony, jak i stężony.

4. Rozpuszczalność

Żadna substancja nie może zostać rozpuszczona w wodzie w nieograniczonej ilości. Są substancje, które rozpuszczają się w niej tylko w niewielkim stopniu (np. w ilości 1,5 · 10 IndeksGórny -25 KoniecIndeksówg w 100 g wody). Istnieją też dobrze rozpuszczalne substancje, których ilość w roztworze może przekraczać czterokrotnie masę wody.
Miarą zdolności substancji do rozpuszczania się w wodzie jest rozpuszczalność. Określa ona maksymalną ilość substancji jaka może rozpuścić się w ustalonej masie lub objętości rozpuszczalnika w danej temperaturze i pod stałym ciśnieniem. W tablicach fizycznych i chemicznych rozpuszczalność jest najczęściej wyrażana jako liczba gramów substancji, którą można rozpuścić w 100 g wody w danej temperaturze i pod stałym ciśnieniem. Dane te zostały wyznaczone doświadczalnie.
Tabela 1. Rozpuszczalność różnych substancji stałych w gramach na 100 g wody w zależności od temperatury
Temperatura
[°C]
Chlorek sodu
(sól kamienna)
Cukier
(sacharoza)
Siarczan(VI) miedzi(II)Azotan(V) potasuAzotan(V) soduJodek potasuOctan soduChlorek potasu
0
35,717914,313,373127,536,027,6
10
35,8 17,420,980136 31,0
20
36,020420,731,68814446,634,0
30
36,3 25,045,896152 37,0
40
36,623828,563,910416066,440,0
50
37,0 33,385,5114168 42,6
60
37,328840,0110,0124176139,845,5
70
37,8 47,1138 184 48,1
80
38,436355169148192153,251,1
90
39,0 64,2202 200 54,0
100
39,848875,4246180208169,556,7
Źródła: Tablice chemiczne, Poradnik fizykochemiczny, Poradnik chemika analityka

Polecenie 2.4.1.

Na podstawie danych zawartych w tabeli opisz, jak wraz z temperaturą zmienia się rozpuszczalność sacharozy, Czy ilość rozpuszczonej sacharozy rośnie czy maleje?
Tabela 2. Rozpuszczalność przykładowych substancji gazowych w gramach na 100 g wody w zależności od temperatury
Temperatura
[°C]
Dwutlenek węglaTlenAzotWodór
0
0,3350,0069480,002940,0001982
10
0,2320,0053700,002310,0001740
20
0,1690,0043390,001890,0001603
30
0,1260,0035080,001620,0001474
40
0,0970,0030810,001390,0001384
50
0,0760,0026570,001210,0001287
60
0,0580,0022740,001050,0001178
70
0,001857 0,0001021
80
0,0013810,000660,0000790
90
0,000787 0,0000461
100
0,00000,00000,0000000
Źródła: Poradnik fizykochemiczny, Poradnik chemika analityka
Porównaj, jak wraz z temperaturą zmienia się rozpuszczalność gazów i substancji stałych w wodzie.

5. Krzywe rozpuszczalności

Na podstawie danych liczbowych przedstawiających zależność rozpuszczalności substancji od temperatury sporządza się wykres nazywany krzywą rozpuszczalności.
Krzywa rozpuszczalności pozwala określić, jak zmienia się rozpuszczalność danej substancji w zależności od temperatury. Dostarcza też informacji, czy jest to zmiana znaczna, czy niewielka. Z wykresu można też odczytać ilość substancji, jaka może maksymalnie rozpuścić się w 100 g wody.

Ciekawostka

Oczyszczanie substancji – krystalizacja
Otrzymywane w laboratorium związki chemiczne zazwyczaj nie są czyste i zawierają niewielkie ilości innych substancji nazywanych zanieczyszczeniami. Aby otrzymać czystą substancję, jako metodę oczyszczania stosuje się m.in. krystalizację. Polega ona na tym, że w odpowiednio dobranym rozpuszczalniku, w temperaturze jego wrzenia, rozpuszcza się zanieczyszczoną substancję, w wyniku czego otrzymuje się jej nasycony roztwór.
Następnie pozostawia się mieszaninę w spokoju przez pewien czas. W trakcie powolnego ochładzania mieszaniny substancja wydziela się z roztworu w postaci kryształów, a zanieczyszczenia pozostają w roztworze.
Warunkiem koniecznym do przeprowadzenia krystalizacji jest dobranie takiego rozpuszczalnika, w którym dana substancja będzie rozpuszczała się bardzo dobrze na gorąco, a słabo – w niższej temperaturze, a ponadto rozpuszczalnik ten – niezależnie od temperatury – będzie bardzo dobrze rozpuszczał zanieczyszczenia.

Podsumowanie

  • W takiej samej objętości wody rozpuszczają się różne ilości rozmaitych substancji.
  • Ilość substancji stałej rozpuszczonej w wodzie zależy od temperatury i najczęściej rośnie wraz z jej wzrostem.
  • Wraz ze wzrostem temperatury maleje ilość rozpuszczonego w wodzie gazu.
  • Roztwór, który w danej temperaturze zawiera maksymalną ilość substancji rozpuszczonej, a kolejna dodana porcja substancji nie ulega rozpuszczeniu, nazywamy roztworem nasyconym.
  • Roztwór, który w danej temperaturze nie zawiera maksymalnej ilości substancji
    rozpuszczonej i w którym możliwe jest rozpuszczenie dodatkowej porcji substancji, to roztwór nienasycony.
  • Roztwór rozcieńczony zawiera co najmniej kilkakrotnie mniej substancji niż roztwór stężony.
  • W roztworze stężonym ilość substancji rozpuszczonej jest taka sama jak w roztworze nasyconym lub niewiele mniejsza.
  • Maksymalna ilość substancji, jaka może rozpuścić się w ustalonej masie lub objętości rozpuszczalnika w danej temperaturze i pod stałym ciśnieniem, nazywa się rozpuszczalnością. Może być wyrażana jako liczba gramów substancji, jaką można rozpuścić w 100 g rozpuszczalnika w danej temperaturze i pod stałym ciśnieniem.
  • Wykres przedstawiający zależność rozpuszczalności danej substancji od temperatury nazywa się krzywą rozpuszczalności.

Praca domowa

Polecenie 2.4.2.

Problem 1.
Zaprojektuj doświadczenie pozwalające sprawdzić, czy woda wodociągowa zawiera rozpuszczony gaz.
Problem 2.
Przygotuj nasycony roztwór cukru w wodzie w wybranej temperaturze.
Problem 3.
Oblicz, jaką masę ma roztwór nasycony chlorku sodu w temperaturze 100°C, który powstał po rozpuszczeniu odpowiedniej ilości tej substancji w 100 g wody.

Słowniczek

krzywa rozpuszczalności

wykres przedstawiający zależność rozpuszczalności danej substancji od temperatury

rozpuszczalność

określa maksymalną ilość substancji, jaka może rozpuścić się w 100 g rozpuszczalnika w danej temperaturze i pod stałym ciśnieniem

roztwór nasycony

roztwór, który w danej temperaturze zawiera maksymalną ilość substancji rozpuszczonej, a dodana kolejna do niej porcja substancji nie ulega rozpuszczeniu

roztwór nienasycony

roztwór, który w danej temperaturze nie zawiera maksymalnej ilości substancji rozpuszczonej i w którym można rozpuścić dodatkową porcję tej substancji

roztwór rozcieńczony

roztwór, który zawiera co najmniej kilkakrotnie mniej substancji rozpuszczonej niż roztwór stężony

roztwór stężony

roztwór, w którym ilość substancji rozpuszczonej jest taka sama jak w roztworze nasyconym lub niewiele mniejsza

Zadania

Zadanie 2.4.1.

Zadanie 2.4.2.

Zadanie 2.4.3.

Zadanie 2.4.4.

Zadanie 2.4.5.

Zadanie 2.4.6.

Zadanie 2.4.7.

Bibliografia

    Praca zbiorowa, Poradnik fizykochemiczny, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1974.
    Praca zbiorowa, Poradnik chemika analityka, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1994.