Otopine

Matura 2. razred

Otopine su homogene smjese otopljene tvari i otapala. Otapalo je uvijek u suvišku te može biti u tekućem ili čvrstom agregacijskom stanju. S druge strane, otopljene tvari ima manje u odnosu na otapalo te može biti u tekućem, plinovitom ili čvrstom agregacijskom stanju.

Primjeri otopina jesu vodena otopina kuhinjske soli, vodena otopina octene kiseline ili etanolna otopina joda.

Otopljene molekule ili ioni okruženi su molekulama otapala i raspoređeni su po cijeloj otopini pri čemu otopljene tvari mijenjaju svojstva otapala.

Otopljene tvari mogu se otapati na dva različita načina.
Prvi način otapanja može se objasniti na primjeru otapanja šećera saharoze u vodi. Naime, prilikom otapanja saharoze u vodi, molekule saharoze ne raspadaju se na manje dijelove (kemijski ne reagiraju s vodom) te se isključivo okružuju molekula vode. Takve otopine ne provode električnu struju.

C₁₂H₂₂O₁₁(s) ⟶ C₁₂H₂₂O₁₁(aq)

Drugi način može se objasniti otapanjem kuhinjske soli u vodi. Kuhinjska sol ili natrijev klorid u vodi disocira na ione od kojih natrijevi ioni imaju pozitivan, a kloridni ioni negativan naboj. Oba iona biti će okružena molekulama vode, ali na drugačiji način to upravo zbog različitih naboja. Kako molekule vode posjeduju dipolni moment, tako molekula vode ima određenu separaciju naboja tj. dio molekule je negativniji u odnosu na drugi pozitivniji dio. To je razlog zašto će u vodenoj otopini katione okružiti molekule vode tako da su mu atomi kisika bliže, dok će anionima biti bliže atomi vodika. Takve otopine provode električnu struju te se nazivaju elektrolitima.

NaCl(s) ⟶ Na⁺(aq) + Cl^-(aq)

Iskazivanje sastava otopina

Količina otopljene tvari u otopini najčešće izražava se pomoću mnogo različitih fizikalnih veličina. U sljedećim formulama, slovom A biti će označene otopljene tvari, slovom B otapala, a oznakom AB otopina.

Maseni udio tvari A u otopini AB jednak je omjeru mase otopljene tvari (A) i mase otopine (AB).

$ w(\mathrm{~A})=\frac{m(\mathrm{~A})}{m(\text { AB })} $

Volumni udio tvari A u otopini AB jednak je omjeru volumena otopljene tvari A i zbroja volumena svih sastojaka prije miješanja.

$ \varphi(\mathrm{A})=\frac{V(\mathrm{~A})}{V(\mathrm{~A})+V(\mathrm{~B})} $

Množinski udio tvari A u otopini omjer je množine te tvari (A) i zbroju množina otopljene tvari (A) i otapala (B).

$ x(\mathrm{ A })=\frac{n(\mathrm{ A })}{n(\mathrm{ A })+n(\text { B })} $

Gustoća otopine jest omjer mase otopine (AB) i volumena otopine (AB).

$ \rho(\mathrm{AB})=\frac{m(A B)}{V(A B)} $

Množinska koncentracija otopljene tvari u otopini jest omjer množine otopljene tvari (A) i volumena otopine (AB).

$ c(\mathrm{~A})=\frac{n(\mathrm{~A})}{V(\text { AB })} $

Masena koncentracija otopljene tvari u otopini jest omjer mase otopljene tvari (A) i volumena otopine (AB).

$ \gamma(\mathrm{A})=\frac{m(\mathrm{~A})}{V(\text { AB })} $

Molalnost je omjer množine otopljene tvari (A) i mase otapala (B).

$ b(\mathrm{~A})=\frac{n(\mathrm{~A})}{m(\text { B })} $

Korištenjem više formula moguće je povezivanje više različitih fizikalnih veličina.

Ukoliko u formulu za masenu koncentraciju uklopimo malo sređeni izraz dobiven iz masenog udjela te izraz za gustoću, dobivamo movu formulu.

Također, u izraz za množinsku koncentraciju možemo uvrstiti izraze za množinu tvari preko mase te izraz za masenu koncentraciju, pri čemu ćemo dobiti novu formulu.

Priprema otopina zadane koncentracije

Otopina zadanog sastava može se pripremiti na dva načina: otapanjem određene mase čvrste tvari u zadanom volumenu otapala te razrjeđivanjem, odnosno dodavanjem otapala u već pripremljenu otopinu. Kako ćemo pripraviti otopinu točno određenog sastava?

Odrediti točno poznatu količinu tvari koje otapamo. Ukoliko se radi o čvrstoj tvari (a.), na analitičkoj vagi potrebno je izmjeriti što točniju masu otopljene tvari. Ukoliko razrjeđujemo određenu otopinu (b.), pipetom mjerimo točan volumen otopljene tvari u tekućem stanju.
(a.) krutinu preko lijevka za krutinu presipavamo u odmjernu tikvicu. Nakon što je prenesen sam sadržaj, lijevak je potrebno isprati otapalom kako bi sva otopljena tvar bila prenesena u odmjernu tivnicu (kvantitativan prijenos tvari). Tikvica se lagano promiješa kako bi se otopljena tvar otopila u otapalu. (b.) otopljena tvar u tekućem stanju ispusti se iz birete u odmjernu tikvicu.
Odmjerna tikvica se dopunjava otapalom.
Kada je volumen otopine blizu oznake na odmjernoj tikvici, otapalo se dodaje kapaljkom do oznake.
Tikvica se začepi čepom te se okretanjem miješa. Nakon nekoliko okretaja, tikvicu je potrebno otvoriti, kako bi se izjednačili tlakovi, te se postupak ponovi sve dok nismo sigurni da je otopina u tikvici posve homogena.

Razrjeđivanje otopine ne mijenja se množina otopljene tvari u tikvici, već se mijenjaju njen volumen i koncentracija.
Tako se vrlo često koristi formula za razrjeđivanje otopina, koja sadrži podatke o množinskoj koncentraciji.

$ c_1(A) \cdot V_1(A B)=c_2(A) \cdot V_2(A B) $

Pr. Koliki je volumen otopine kalcijeva klorida množinske koncentracije 0,02 mol L^-1 potrebno razrijediti vodom da bi se pripravila 0,1 L otopine množinske koncentracije 0,01 mol L^-1?

Otapanjem čvrste tvari u tekućini ili miješanjem dviju tekućina može doći do smanjenja volumena. Primjerice, miješanjem 50 mL vode i 50 mL etanola dobiva se tekuća smjesa volumena 96 mL. Kamo je nestalo 4 mL smjese? Zbog međudjelovanja između molekula vode i molekula etanola smanjuje se njihova udaljenost i posljedično ukupni volumen smjese.