KEMIJA EKONOMIST DRUGO NASTAVNO PISMO OTOPINE Tekst uredila: Sanja Njari, profesor biologije i kemije Zagreb, 2011. 2 SADRŢAJ 2. Otopine 2.1. Disperzni sustavi............................................................................................................3 2.2. Prave otopine.................................................................................................................4 2.3. Topljivost ĉvrstih tvari...................................................................................................5 2.4. Uĉinak tlaka i temperature na topljivost tvari................................................................6 2.5. Zasićene i prezasićene otopine ......................................................................................7 2.6. Elektroliti i neelektroliti ................................................................................................7 2.7. pH vrijednosti i indikatori..............................................................................................8 2.8. Kiseline i baze .............................................................................................................10 2.9. Neutralizacija.................................................................................................................12 2.10. Soli ..............................................................................................................................12 2.11. Kemijska reaktivnost metala .......................................................................................13 2.12. Galvanski ĉlanci ..........................................................................................................14 2.13. Elektrodni potencijal....................................................................................................15 2.14. Baterije – nepovratni ili ireverzibilni galvanski ĉlanci................................................15 2.15. Akumulatori – povratni ili reverzibilni galvnaski ĉlanci.............................................16 2.16. Elektroliza....................................................................................................................16 2.17. Korozija i zaštita od korozije.......................................................................................18 PITANJA ZA SAMOUĈENJE I PROVJERU ZNANJA ..........................................................21 3 2. OTOPINE U drugom nastavnom pismu nauĉit ćete što su smjese, kako se moţe povećati topljivost tvarima, koje tvari provode elektriĉnu struju, razlikovati kiseline od baza i njihove reakcije. Uoĉit ćete razliku izmeĊu baterija i akumulatora, te naĉuiti postupke zaštite metala od korozije. 2.1. DISPERZNI SUSTAVI Smjese su mješavine dviju ili više tvari u kojima svojstva tvari ostaju nepromijenjena. U smjesi su prisutne najmanje dvije tvari, od kojih je jedna raspršena (dispergirana) u drugoj tvari, pa smjese još nazivamo disperznim sustavom. Razlikujemo homogene i heterogene tvari. Heterogene tvari su smjese homogenih tvari, a homogene tvari su ili ĉiste tvari ili homogene smjese, odnosno otopine. Prema tome, postoje homogne i hetrogene smjese. Hetereogene smjese sastoje se od više faza, a homogene smjese ili otopine sastoje se od jedne faze. Pod fazom razumijevamo homogeni dio nekog sustava koji je odijeljen od ostalih dijelova sustava fiziĉkom granicom. Ako je jedna (ili više) faza fino razdijeljena u drugoj fazi, nazivamo takav sustav disperznim sustavom. Faza koja je fino zadijeljena jest disperzna faza, a faza u kojoj se nalazi disperzna faza jest disperzno sredstvo. I disperzna faza i disperzno sredstvo mogu biti ĉvrsti, tekući i plinoviti. Primjerice, ĉestice prašine i zrak ĉine disperzni sustav. Zrak je disperzno sredstvo, a ĉestice prašine disperzna faza. Prema veliĉini raspršenih ĉestica disperzne faze u disperznom sredstvu razlikujemo nekoliko tipova disperznih sustava: a) suspenzija Veliĉina dispergiranih (raspršenih) ĉestica u suspenziji je od 100 nm (nanometar, 10-9m) do vidljivih ĉestica, npr. usitnjena kreda u vodi. Iz suspenzije se s vremenom disperzna faza taloţi na dno. b) koloidna otopina Najĉešći koloidno-disperzni sustav je onaj kod kojeg je voda disperzno sredstvo i naziva se koloidnom otopinom ili solom. Dakle, veliĉina ĉestica disperzne faze koloidne otopine je 1 do 4 100 nm. Vaţno svojstvo koloidnih otopina, po kojem se razlikuju od pravih otopina je Tyndallov fenomen, tj. koloidne ĉestice rasipaju zraku svjetlosti u svim smjerovima. Zbog raspršenja svjetlosti u koloidnoj otopini snop svjetlosti postaje vidljiv ako se promatra iz raznih kutova s obzirom na smjer njegova ulaska. c) prava otopina U pravim su otopinama ĉestice disperzne faze raspršene do molekula ili iona tj. do nevidljivih ĉestica ĉija je veliĉina manja od 1 nm. Kao primjer navodimo bistru morsku vodu u kojoj ne vidimo nikakve ĉestice, a znamo da je ona slana od kuhinjske soli, koja se raspršila na natrijeve i kloridne ione. 2.2. PRAVE OTOPINE Otopine su homogene smjese ĉistih tvari, tj. otopine sadrţe dvije ili više tvari pomiješanih u stanju molekulske disperzije. Tvari koje ĉine otopinu nazivaju se komponentama. Komponenta koja se nalazi u otopini u većoj koliĉini od ostalih komponenti naziva se otapalom, a ostale komponente nazivaju se otopljenim tvarima. Bistri sokovi, gazirana pića, alkoholna pića, ocat, tekuća sredstva za ĉišćenje, parfemi – sve su to primjeri pravih otopina u kojim je veliĉina disperzne faze manja od 1 nanometar. Od svih otapala voda je najĉešće otapalo. Zbog svojih polarnih svojstava voda odliĉno otapa mnoštvo ĉvrstih tvari kao što su soli (ionski kristali) dok u pravilu, mnogo slabije otapa plinove. Oko 70% Zemljine površine pokriva voda, a najveći je dio te vode slana voda u morima i oceanima. Sve su prirodne vode zapravo razrijeĊene otopine jer u sebi sadrţe relativno male koliĉine otopljenih minerala, soli i plinova. Sastav otopina najĉešće iskazujemo: a) masenom koncentracijom Masena koncentracija otopljene tvari je omjer mase te tvari i volumena otopine. b) mnoţinskom koncentracijom Mnoţinska koncentracija otopljene tvari omjer je mnoţine jedinke te tvari i volumena otopine. c) masenim udjelom. Maseni udio sastojka u smjesi je brojĉana vrijednost koja se dobije dijeljenjem mase sastojka s masom smjese. Iskazuje se decimalnim brojem ili postotkom. 5 2.3. TOPLJIVOST ĈVRSTIH TVARI Topljivost se iskazuje masom tvari koja se pri odreĊenoj temperaturi moţe otopiti u 100 g otapala. Topljivost neke ĉvrste tvari u odreĊenom otapalu ovisi o temperaturi i moţe rasti ili opadati s porastom temeprature. GraĊevne jedinice kristala mogu biti atomi, molekule ili ioni, pa govorimo o atomskim, ionskim i molekularnim kristalima. U atomskim kristalima mnoštvo je atoma meĊusobno povezanih ĉvrstim kovalntnim vezama (npr. grafit, dijamant). Zato ti kristali nisu topljivi u vodi ni u polarnim ni u nepolarnim otapalima. U molekularnim krisalima izmeĊu molekula djeluju slabe privlaĉne sile. Molekularni se kristal u nepolarnom otapalu otapa ako su sile privlaĉenja meĊu molekulama kristala i molekulama otapala veće od privlaĉnih sila koje djeluju unutar kristala. Nepolarne su tvari, u pravilu, slabo topljive u polarnim otapalima, npr. u vodi, a redovito dobro topljive u nepolarnim otapalima, npr. u ugljikovu disulfidu, tetraklorugljiku, benzenu i u mnogim drugim organskim otapalima. Poznato nam je da se alkoholi metanol i etanol odliĉno miješaju s vodom. To su spojevi s kovalentnim vezama. Uzrok njihove dobre topljivosti u vodi jest nastajanje vodikovih veza izmeĊu molekula alkohola i molekula vode, jer se u njihovim molekulama nalaze polarne hidroksilne skupine preko kojih alkoholi stvaraju vodiku vezu s molekulama vode. Ionski kristali graĊeni su od pozitivno nabijenih iona – kationa i negativno nabijenih iona – aniona. U kristalu njih na okupu drţe jake elektrostatske sile privlaĉenja. Ionski se kristal otapa u nekom otapalu samo ako su privlaĉne sile izmeĊu iona u kristalu i molekula otapala veće od elektrostatskih sila privlaĉenja suprotno nabijenih iona u kristalu. U procesu otapanja ionskih kristala u vodi, pa tako i natijeva klorida razara se kristalna rešetka. Polarne molekule vode privlaĉe svojim pozitivnim dijelom negativne ione, a negativnim dijelom pozitivne ione u ionskome kristalu. Pritom se oslobodi dovoljno energije da se svladaju elektrostatske sile privlaĉenja meĊu suprotno nabijenim ionima u kristalu, što rezultira izdvajanjem iona iz kristala. Ione u otopini, koje okruţuju molekule vode, nazivamo hidratizirnim ionima. 6 Polarne tvari redovito se bolje otapaju u polarnim otapalima, a nepolarne tvari u nepolarnim otapalima, što znaĉi da se sliĉno otapa u sliĉnom. 2.4. UĈINAK TLAKA I TEMPERATURE NA TOPLJIVOST TVARI Topljivost ĉvrstih tvari i tekućina ne ovisi o tlaku, jer su ĉvrste tvari i tekućine nestlaĉive. Suprotno tomu, topljivost gotovo svih ĉvrstih tvari ovisi o promjeni temeprature i za većinu ĉvrstih tvari vrijedi da im je topljivost bolja pri višoj temperaturi. Razlog je taj što se porastom temperature povećava gibanje ĉestica, pa se i više ĉestica oslobodi iz kristalne rešetke i prelazi u otopinu. Otapanjem ĉvrste tvari u vodi ili se toplina oslobaĊa (temperatura otopine raste) ili se veţe (temperatura otopine se smanjuje). Ako je proces otapanja endoterman, a to znaĉi da se u procesu otapanja toplina troši, povišenjem temperature topljivost tvari se povećava. Obratno, tvarima koje se otapaju egzotermno, što znaĉi da se u procesu otapanja toplina oslobaĊa, povišenjem temperature topljivost se smanjuje. Razliĉite tekućine, uz inaĉe iste uvjete, otapaju razliĉite koliĉine jednog te istog plina. Koliĉina plina koja se otapa u odreĊenoj koliĉini tekućine ovisi o prirodi plina, temperaturi i tlaku plina koji je u dodiru s tekućinom. Plinovi koji kemijski ne reagiraju s tekućinom slabo su u njoj topljivi. Tako se slabo otapaju u vodi vodik, kisik, dušik, ugljikov monoksid. MeĊutim, amonijak, klorovodik, sumporovodik, sumporov dioksid i ugljikov dioksid jako se otapaju jer s njome kemijski reagiraju. Što je viša temperatura tekućine, to se manja koliĉina plina u njoj otapa. Pri višoj temperaturi veća je toplinska energija ĉestica u otopini, pa se one brţe gibaju. Molekule plinova lako se uzdiţu prema površini i mnoge od njih imaju dovoljnu energiju da napuste otopinu i prijeĊu u okoliš. Odnos izmeĊu koliĉine otopljenog plina i njegova tlaka iznad tekućine našao je 1803. engleski kemiĉar W. Henry. Poveća li se tlak iznad otopine za dva puta, topljivost je plinova dvostruko veća. Ĉovjekovo izlaganje visokomu tlaku glavni je problem pri ronjenju. Ako se za ronjenje rabi stlaĉeni zrak, dušik se pri povišenu tlaku u morskim dubinama bolje otapa u krvi, djeluje narkotiĉki i uzrokuje „dubinsku opijenost“. Stoga se za duboka i dugotrajna ronjenja u smjesi za udisanje dodaje helij umjesto dušika jer je topljivost helija u krvi upola 7 manja i on ima slabiji narkotiĉki uĉinak. Tako se vrijeme izronjavanja (dekompresije) skraćuje pa se i ronilac moţe dulje zadrţati pod površinom. 2.5. ZASIĆENE I PREZASIĆENE OTOPINE Prema koliĉini neke tvari otopljene u odreĊenoj koliĉini otapala pri odreĊenoj temperaturi otopine mogu biti: a) nezasićene Nezasićene su otopine one koje, pri odreĊenoj temperaturi, mogu još otopiti ĉvrste tvari. Primjerice, ako vodena otopina kalijeva jodida pri 25°C sadrţi 120 grama otopljenog kalijeva jodida, ona je nezasićena, jer se pri toj temperaturi moţe maksimalno otopiti 148 grama kalijeva jodida. b) zasićene Zasićena otopina neke tvari pri odreĊenoj temperaturi jest ona otopina koja se nalazi u ravnoteţi s neotopljenom ĉvrstom tvari, tj. otopina sadrţi maksimalnu koliĉinu otopljene tvari pri odreĊenoj temperaturi i nalazi se u dinmiĉkoj ravnoteţi s neotopljenom tvari. c) prezasićene Sadrţi li otopina više otopljene tvari nego što odgovara zasićenoj otopini pri toj temperaturi, takvu otopinu nazivmo prezasićenom otopinom. Dok su zasićene otopine stabilne (postojane), prezasićene su otopine labilne (nepostojane). Prezasićene otopine nastaju i u prirodnim procesima. Tako je med prezasićena vodena otopina razliĉitih vrsta šećera i drugih vrijednih sastojaka. Med nastaje dugotrajnim isparavanjem vode iz nezasićene šećerne otopine. Razliĉite vrste ţelea takoĊer su prezasićene otopine iz kojih se dugim stajanjem kristalizira šećer. 2.6. ELEKTROLITI I NEELEKTROLITI Jedna od glavnih karakteristika ionskih spojeva je da njihove taljevine i vodene otopine vode elektriĉnu struju zbog prisutnosti slobodnih iona. Pojave provoĊenja elektriĉne struje kroz taljevine i vodene otopine soli otkrivene su poĉetkom 19. stoljeća. Za to su osobito zasluţni kemiĉari H. Davy, M. Faraday i J.J. Berzelius. Faraday je pretpostavio da se tek za vrijeme provoĊenja elektriĉne struje rastaljena, 8 odnosno otopljena tvar raspada na elektriĉki nabijene ĉestice, koje putuju prema elektrodama. Zbog toga ih je nazvao ionima, što u grĉkom jeziku znaĉi „oni koji putuju“. Negativno nabijene ione, koji putuju prema pozitivnom polu – anodi, nazvao je anionima, a pozitivno nabijene ione, koji putuju prema negativno nabijenoj elektrodi – katodi, nazvao je kationima. Kako se pri provoĊenju elektriĉne struje kroz taljevine i otopine tvar kemijski raspada, taj je proces nazvan elektrolizom. Zbog toga su i tvari koje provode elektriĉnu struju pomoću iona, kada su rastaljene ili otopljene u vodi, nazvane elektrolitima, a sve ostale tvari koje ne provode elektriĉnu struju uz iste uvjete nazvane neelektrolitima. MeĊutim, kasnije je naĊeno da otopine elektrolita provode ne samo istosmjernu već i izmjeniĉnu struju, a u tom sluĉaju ne dolazi do elektrolize. Dakle, ioni koji jedini mogu voditi elektriĉnu struju ne nastaju tek provoĊenjem struje već samim otapanjem elektrolita. Švedski kemiĉar S. Arrhenius, 1887., postavio je teoriju elektrolitske disocijacije: otapanjem u vodi elektroliti disociraju (raspadaju) na ione. Danas je ta teorija uzeta kao ĉinjenica, jer je postaojanje iona dokazano strukturnom analizom ĉak u ĉvrstim kristalima. Dakle, otapanjem ionskog kristala mogu ući u otopinu samo njegovi ioni. Zbog velikog znaĉenja teorije elektrolitske disocijacije za razvoj kemije dobio je Arrhenius 1903. Nobelovu nagradu za kemiju. Jakost elektrolita ovisi o broju iona i o njihovu naboju. Što su, u odreĊenom volumenu otopine, broj iona i njihov naboj veći, to je otopina jaĉi elektrolit. U svim jakim elektrolitima disocijacija ili ionizacija (stvaranje iona iz molekula pod djelovanjem polarnog otapala) otopljene tvari u razrijeĊenoj je otopini potpuna ili gotovo potpuna. Jaki su elektroliti vodene otopine jakih kiselina, jakih baza i otopine mnogih dobro topljivih soli. Vodena otopina kuhinjske soli (NaCl) dobro provodi elektriĉnu struju zbog velikog broja Na+ i Cl- iona. Za razliku od jakih elektrolita, kod slabih elektrolita, disocijacija ili ionizacija otopljene tvati je malena (slaba). U vodenoj otopini octene kiseline ionizira vrlo mali broj molekula, tj. oko 0,4%. 2.7. pH VRIJEDNOST I INDIKATORI Voda je vrlo slabo ionizirana na vodikove i hidroksilne ione, te u ĉistoj vodi i u vodenim otopinama postoji ova ravnoteţa ionizacije: H2O + H2O ⇄ H3O+ + OHili kraće H2O ⇄ H+ + OH- . 9 Od milijardu molekula vode pri temperaturi 25°C ioniziraju samo samo dvije molekule. Ionizacijom molekula vode nastaje jednak broj vodikovih i hidroksilnih iona, što uzrokuje da je voda neutralna. Konstanata ravnoteţe dana je izrazom ([H2O] je konstanta): [H+] [OH-] = Kw = 10-14 mol2dm-6 i naziva se ionski produkt vode. Prema tome, u ĉistoj vodi kao i u svakoj vodenoj otopini mora biti umnoţak koncentracije vodikovih iona i hidroksidnih iona konstantan. Budući da je mnoţinska koncentracija vodikovih i hidroksidnih iona u svakoj vodenoj otopini vrlo male brojĉane vrijednosti, uvedena je mnogo praktiĉnija jedinica, a to je pH (ĉitaj: pe-ha). pH vrijednost otopina mijenja se sa promjenom mnoţinske koncentracije vodikovih iona. Koncentracija vodikovih iona je: u kiselim otopinama veća od 10-7 mol dm-3, pH < 7 npr. limunov sok pH = 2,3 u neutralnim otopinama 10-7 mol dm-3, pH = 7 npr. ĉista voda pH = 7 u bazičnim (luţnatim) otopinama manja od 10-7 mol dm-3, pH > 7 npr. sredstvo za ĉišćenje s amonijakom pH = 11 Dakle, pH vodenih otopina obiĉno ima vrijednost izmeĊu 1 i 14. Pribliţnu pH vrijednost otopina odreĊujemo indikatorima, a pomoću ureĊaja pHmetra odreĊujemo toĉnu vrijednost pH otopina. Indikatori su tvari koje mijenjaju boju ovisno o promjeni pH vrijednosti. Za kisele otopine najĉešće se koriste plavi lakmusov papir, otopina metil-oranţa i univerzalni indikatorski papir. Navedeni indikatori u kiselim otopinama pocrvene. Za baziĉne otopine najĉešće upotrebljavamo otopinu fenolftaleina koja je u kiselim i neutralnim otopinama bezbojna, a u luţinama crvenoljubiĉasta. Zatim crveni lakmusov papir i univerzalni indikatorski papir, koji u luţinama poplave. Mnoge kemijske reakcije koje se provode u laboratoriju ili industriji zbivaju se pri odreĊenoj pH vrijednosti. Zato se redovito tijekom reakcije kontrolira je li pH vrijednost reakcijske smjese ispravna. Ako nije, dodaju se tvari koje ne smetaju tijeku reakcije, nego smanjuju ili povećavaju pH vrijednost. 10 Izgaranjem fosilnih goriva, nafte i njezinih derivata, stvaraju se goleme koliĉine sumporova dioksida i dušikovih oksida. Osim toga, velike koliĉine navedenih oksida nastaju u raznim industrijskim procesima. Ti oksidi odlaze u atmosferu i s vlagom iz zraka stvaraju odgovarajuće kiseline. To su uglavnom jake kiseline, koje se oborinama vraćaju na Zemlju, pa govorimo o kiselim kišama. One uništavaju šume i poljoprivredna dobra, oštećuju vegetaciju i ugroţavaju ţivi svijet u površinskim vodama. Osim toga, djelovanjem kiselih kiša nastaju velike štete i u graĊevinarstvu, jer jake kiseline reagiraju s vapnencom i vapnom. 2.8. KISELINE I BAZE Spojevi koji kod disocijacije u vodenim otopinama daju H3O+ ion (oksonijev ili hidronijev ion) nazivamo kiselinama. Naime, vodene otopine tih spojeva pokazuju kiselu reakciju, tj. imaju kiseli okus i mijenjaju boju indikatora. Ovisno o porastu koncentracije oksonijevih iona u otopini, kiseline mogu biti jake i slabe. Jake su kiseline one koje potpuno ili gotovo potpuno ioniziraju u vodi. Neke od njih jesu: perklorna (HClO4), klorovodiĉna (HCl), dušiĉna (HNO3) i sumporna kiselina (H2SO4). Proces ionizacije prikazujemo jednadţbom: HNO3(l) + H2O(l) → H3O+(aq) + NO3-(aq) Navedena kiselina je jednoprotonska jer ima jedan atom vodika. Ona ionizira u jednom stupnju. H2SO4(aq) + H2O(l) → H3O+(aq) + HSO4-(aq) HSO4-(aq) + H2O(l) → H3O+(aq) + SO42-(aq) ------------------------------------------------------------------------------H2SO4(aq) + 2H2O(l) → 2H3O+(aq) + SO42-(aq) Sumporna je kiselina primjer dvoprotonske kiseline (u molekuli su dva vodikova atoma). Dvoprotonske kiseline ioniziraju u dva stupnja. Višeprotonske kiseline imaju više od dvaju vodikovih atoma u molekuli i mogu ionizirati u više stupnjeva. Takva je primjerice fosforna kiselina, H3PO4 koja ionizira u tri stupnja. Bez obzira na to koja kiselina ionizira, uvijek nastaje zajedniĉki oksonijev ion, dok sastav kiselinskog ostatka ovisi o vrsti kiseline. 11 Kiseline koje slabo ioniziraju u vodi proizvode male koncentraciju oksonijevih iona. Tako je octena kiselina (CH3COOH) slaba kiselina. U razrijeĊenoj vodenoj otopini ionizira samo 4 promila, što znaĉi da od tisuću molekula octene kiseline samo 4 molekule ioniziraju. RazrijeĊivanje kiselina: nikada ne ulijevajte vodu u kiselinu, jer se pri tome oslobaĊa velika koliĉina topline, što moţe uzrokovati prskanje kiseline i eventualnu ozljedu. Uvijek valja polagano, uz miješanje DOLIJEVATI KISELINU U VODU. Zbog ionizacije molekula kiselina u vodi, one su elektrolitne otopine. Jake kiseline su jaki, a slabe kiseline slabi elektroliti. Dobivanje kiselina: a) reakcijom nemetalnog oksida i vode 3NO2(g) + H2O(l) 2HNO3(aq) + NO(g) b) sintezom vodika i nekog reaktivnog nemetala te otapanjem produkta u vodi H2(g) + Cl2(g) → 2HCl(g) HCl(g) + H2O → H3O+(aq) + Cl-(aq) Spojevi koji disocijacijom u vodenim otopinama daju OH- ione (hidroksidne ione), nazivamo bazama. Njihove otopine pokazuju luţnatu reakciju, tj. imaju luţnat okus i mijenjaju crvenu boju lamusa u plavu. Zbog luţnate reakcije nazivamo takve otopine baza lužinama. Baze su, dakle, svi metalni hidroksidi, jer u vodi disociraju na metalni ion i hidroksidni ion, npr.: NaOH → Na+ + OHPrema koncentraciji osloboĊenih hidroksidnih iona u vodi, baze mogu biti jake i slabe. Jake su baze one koje potpuno ili gotovo potpuno disociraju u vodi. Njihove razrijeĊene vodene otopine imaju visoku koncentraciju OH- iona, što se moţe dokazati indikatorima. Slabe baze, kao što je vodena otopina amonijaka, imaju malu koncentraciju OHiona, što se oĉituje malim porastom pH vrijednosti otopine iznad 7. Neki hidroksidi reagiraju i s kiselinama i s jakim luţinama. To su amfoterni hidroksidi. Takav je npr. u vodi netopljiv aluminijev hidroksid, Al(OH)3, koji se u reakciji s kiselinom ponaša kao baza, a u reakciji s jakom luţinom kao kiselina. 12 2.9. NEUTRALIZACIJA Reakcija neutralizacije jest reakcija hidroksdnih i oksonijevih iona, pri ĉemu nastaju neutralne molekule vode. OH-(aq) + H3O+(aq) → 2H2O(l) Primjerice, reakcijom klorovodiĉne kiseline i natrijeve luţine nastaje natrijev klorid i voda: HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O(l). Procesi neutralizacije imaju veliku primjenu u svakidašnjem ţivotu. Osobe koje boluju od viška klorovodiĉne kiseline u ţelucu uzimaju antacide – preparate baziĉnog djelovanja ĉime smanjuju kiselost. Jedan od najstarije upotrebljavanih je soda bikarbona ili natrijev hidrogenkarbonat, NaHCO3. 2.10. SOLI Iz morske vode se dobiva kuhinjska sol. Mnogi planinski masivi graĊeni su od vapnenca. NaCl i CaCO3 graĊeni su od metalnog iona (Na+, Ca2+) i nemetalnog iona ili kiselinskog ostatka (Cl-, CO32-). Sve su soli ionski spojevi metala i nemetala, a graĊene su od pozitivno nabijenih metalnih iona ili kationa i negativno nabijenih kiselinskih ostataka ili aniona. Na primjer sloţenog sastava je CaCO3, a jednostavnog sastava NaCl. Svojstva soli: - neke soli su topljive u vodi (NaCl) - vodene otopine soli su elektroliti tj. provode struju Skupni naziv soli potjeĉe od naziva kiseline. Tako su npr. sve soli klorovodiĉne kiseline – kloridi, dušiĉne kiseline – nitrati. Netopljive soli slabo ili nikako ne disocraju u vodi. Takva je sol srebrov klorid (AgCl). Netopljive soli proizvode se postupkom precipitacije ili taloţenja Topljive soli dobivaju se laboratorijski: - sintezom metala i nemetala nastaju soli 13 2Na + Cl2 → 2NaCl - reakcijom metala s kiselinom nastaju sol i vodik Mg + 2HCl → MgCl2 + H2 - reakcijom metalnog oksida s kiselinom nastaju sol i voda CuO + H2SO4 → CuSO4 + H2O - reakcijom kiselina s luţinama nastaju sol i voda H2SO4 + Ca(OH)2 → CaSO4 + H2O Soli imaju praktiĉnu primjenu: a) amonijeve soli dušiĉna su umjetna gnojiva b) zelene boja vatrometa potjeĉe od barijeva nitrata, crvena od stroncijeva karbonata, plava od bakrova sulfata c) magnezijev sulfat daje se protiv grĉeva u trudnoći i za smanjenje topljivosti otrovnog barijeva sulfata koji se rabi u medicinskoj dijagnostici d) natrijev klorid sluţi za sniţenje ledišta vode (posipanje cesta), u prehrani kao dodatak jelima, za pripremu fiziološke otopine, za proizvodnju drugih kemikalija 2.11. KEMIJSKA REAKTIVNOST METALA Atomi metala u kemijskim reakcijama otpuštaju elektrone tj. oni se oksidiraju. Pri tome prelaze u pozitivno nabijene ione – katione. Sposobnost otpuštanja elektrona nije kod svih metala jednaka. Alkalijski metali (metali 1. skupine) i većina metala 2. skupine vrlo su reaktivni. Zbog toga njih u prirodi ne moţemo pronaći u elementarnom stanju, nego iskljuĉivo vezane u spojeve s drugim elementima. Reaktivnost metala ovisi o njihovoj sposobnosti oksidacije. Što se metal lakše oksidira, tj. lakše otpušta elektrone, to je njegova reaktivnost veća. - kalij, natrij i kalcij se najlakše oksidiraju - magnezij, aluminij i cink su priliĉno rekativni - ţeljezo, olovo i bakar su slabije reaktivni - srebro, zlato i platina su nereaktivni (vrlo su postojani na djelovanje vode, zraka, kiselina i drugih kemikalija pa ih nazivamo plemenitim metalima) 14 2.12. GALVANSKI ĈLANCI Galvanski članci rabe se kao izvor elektriĉne struje, a poznatiji su pod nazivom baterije ili akumulatori. Razlika meĊu njima jest u tome što su baterije „potrošni materijal“ jer se nakon praţnjenja ne mogu regenerirati ili puniti. Akumulatori su galvanski ĉlanci koje nakon praţnjenja moţemo regenerirati (puniti pomoću vanjskog izvora istosmjerne elektriĉne struje), tako da ponovno postaju izvor elektriĉne struje. Daniellov članak sastoji se od ploĉice cinka uronjene u otopinu cinkovih iona, primjerice u otopinu cinkova sulfata i ploĉice bakra u otopinu bakrova sulfata. Metal uronjen u otopinu odgovarajućih iona je poluĉlanak ili elektroda. Obje su ploĉice povezane spojnim ţicama s nekim potrošaĉem struje ili ureĊajem za mjerenje napona. Daniellov ĉlanak ili cink – bakrov ĉlanak ima, kao i ostali galvanski ĉlanci, dvije elektrode. Na jednoj se elekrodi zbiva proces oksidacije, a na drugoj preoces redukcije. Da bi ureĊaj proizvodio struju, elektrodne otopine moraju biti povezane. To se postiţe elektrolitnim mostom, koji je obiĉno U – cijev ispunjena ţelatinom, natopljenom nekom elektrolitnom otopinom, primjerice otopinom natrijeva sulfata. Za istu svrhu moţe se upotrijebiti filtarski papir namoĉen u elektrolitnu otopinu. Elektrolitni most omogućuje protok iona izmeĊu dvije elektrode, a spojne ţice protok elektrona. Na elektrodi s koje se elektroni oslobaĊaju (cink) zbiva se proces oksidacije i ona je anoda. U galvanskome ĉlanku ona je negativni pol ĉlanka. Elektroda koja prima elektrone (bakrena), na kojoj se zbiva proces redukcije iona bakra iz otopine, jest katoda i pozitivan je pol ĉlanka. Oksidacija (- pol): Zn(s) → Zn2+(aq) + 2eRedukcija (+ pol): Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s) ---------------------------------------------------------------------Ukupno: Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s) Kroz vanjski strujni krug elektroni putuju od cinkove – negativne elektrode k bakrenoj – pozitivnoj elektrodi. Dakle, vanjskim krugom protjeĉe elektriĉna struja, koja je nastala zbog redoks reakcija na elektrodama. 15 2.13. ELEKTRODNI POTENCIJAL Galvanskim ĉlankom protjeĉe elektriĉna struja zbog sklonosti jedne elektrode da se oksidira, a druge da se reducira. Općenito moţemo reći sklonost tvari da se oksidira ili reducira mjera je veliĉine elektrodnog potencijala. U Daniellovu ĉlanku razlika izmeĊu cinĉane i bakrove elektrode uzrokuje spontano putovanje elektrona s elektrode niţeg elektrodnog potencijala (cinĉana elektroda) prema elektrodi višeg elektrodnog potencijala (bakrova elektroda). Standardni elektrodni potencijal elektrode (poluĉlanka) je elektromotorna sila elektrode mjerena prema standardnoj vodikovoj elektrodi. Dogovoreno je da elektrodni potencijal standardne vodikove elektrode, pri svim temperaturama bude nula (E0 = 0,000V). Ona se satoji od ploĉice platine uronjene u otopinu klorovodiĉne kiseline, koncentracije 1 mol/dm3. U nju se doovdi ĉisti vodik pod tlakom od 1 bar kojeg odliĉno adsorbira platina, pa moţemo smatrati da je ploĉica zapravo vodikova elektroda. Napon ĉlanka ili razlika meĊu elektrodama naziva se elektromotornom silom ĉlanka, a iskazuje se voltima. Mjeri li se standardni elektrodni potencijal bakrove elektrode, standardna vodikova elektroda je negativni pol, a bakrova elektroda pozitivni pol ĉlanka, zato što je bakar slabije redukcijsko sredstvo od vodika. Ako se mjeri standardni redukcijski potencijal cinkove elektrode, tada će cinkova elektroda biti negativan pol, a vodikova elektroda pozitivan pol, jer je vodik slabije redukcijsko sredstvo. Standardni redukcijski potencijali svrstani prema njihovoj rastućoj vrijednosti ĉine Voltin niz ili elektrokemijski niz elemenata. 2.14. BATERIJE – NEPOVRATNI ILI IREVERZIBILNI GALVANSKI ĈLANCI Ĉlanci koji ne sadrţe tekući elektrolit lakše su prenosivi, kompaktniji i praktiĉniji. Najpoznatiji od njih je Leclancheov ili suhi ĉlanak (baterija), koji je u uporabi više od stotinu godina. Suha baterija sastoji se od cinkove posudice i ugljenog štapića. U podruĉju oko ugljenoga šapića smjesa je ugljenog praha (ĉaĊe) i manganova(IV) oksida te amonijeva klorida i cinkova klorida koji ĉine elektrolit. Cinkova posudica je negativan pol ĉlanka (anoda) i na njoj se zbiva oksidacija cinkova atoma. 16 Danas su u uporabi mnoge vrste baterija boljih svojstava od Leclancheove baterije. Takve su primjerice, alkalna, srebrna, ţivina i litijeva baterija. Imaju niz prednosti pred suhom baterijom jer su trajnije, mogu se rabiti pri niţim temperaturama, ne nastaju plinoviti produkti i dr. One nalaze široku primjenu u tranzistorskim ureĊajima, pacemakerima, igraĉkama, satovima, raĉunalima, bljeskalicama, fotoaparatima i sl. 2.15. AKUMULATORI – POVRATNI ILI REVERZIBILNI GALVANSKI ĈLANCI Od raznih vrsta akumulatora najviše se uoptrebljava olovni akumulator. Sastavljen je od dviju mreţastih elektroda. Jedna je graĊena od spuţvastog olova, a ruga od olovnog(IV) oksida. Elektrode su poredane naizmjence, a odvojene su separatorom – ploĉama od staklenih vlakana. Elektrolit je razrijeĊena sumporna kiselina. Kada se olovni akumulator prikljuĉi na neko trošilo, zbivaju se kemijske reakcije na elektrodama. Na elektrodi od spuţvastog olova zbiva se proces oksidacije atoma olova. Ta je elektroda negativan pol ĉlanka (anoda). Nastali olovni ioni vezuju se za sulfatne ione iz otopine. Stvara se bijeli netopljivi olovov(II) sulfat koji prianja uz anodu. OsloboĊeni elektroni na anodi putuju vanjskim strujnim krugom do olovova(IV) oksida, koji reduciraju olovne ione. Ta je elektroda pozitivan pol ĉlanka (katoda). Kao i na anodi, ioni olova spajaju se sa sulfatnim ionima, a nastali netopljivi olovov(II) sulfat prianja uz katodu. Rezultat praţnjenja olovnog akumulatora jest taloţenje olovova(II) sulfata na elektrodama i smanjenje koncentracije sumporne kiseline. Pri punjenju akumulatora struja iz vanjskog izvora dovodi elektrode u poĉetni oblik, pa se time postiţe da akumulator ponovno moţe proizvoditi struju. To znaĉi da se olovov(II)sulfat razgraĊuje, a regeneriraju se olovo, olovov(IV) oksid i sumporna kiselina. 2.16. ELEKTROLIZA Obrnuti elektrokemijski proces koji se ne zbiva spontano, već dovoĊenjem elektriĉne energije nekom sustavu pomoću elektroda nazivamo elektroliza, jer se prilikom tog procesa rastvara elektrolit pomoću elektriĉne struje. 17 Za elektrolizu je potrebno: - izvor istosmjerne struje - elektrolit - elektrode (na njima se zbivaju redoks reakcije) - spojne ţice (omogućuju protok elektrona) U procesu elektrolize negativni se ioni – anioni gibaju usmjereno prema anodi (pozitivan pol), a pozitivni ioni – kationi prema katodi (negativan pol). Anioni otpuštaju elektrone anodi, a kationi primaju elektrone od katode. Metali i grafit provode elektriĉnu struju, zato što u njihovoj graĊi ima slobodnih, lako pokretljivih elektrona. Pri prolasku elektriĉne struje njihova se svojstva ne mijenjaju. U svim elektrolitima, a to su taline i vodene otopine ionskih spojeva, te vodene otopine polarnih kovalentnih spojeva, struju provode pozitivni i negativni ioni. Rezultat elektrolize taline natrijeva klorida jest izluĉivanje elementarnog natrija na katodi i elementarnog klora na anodi. Zbog malog broja vodikovih i hidroksidnih iona u ĉistoj vodi, ona je vrlo slab elektrolit. Vodljivost se povećava dodatkom nekog jakog elektrolita, koji ne sudjeluje u reakcijama na elektrodama (npr. sumporna kiselina). Tijekom elektrolize vode na katodi se molekule vode reduciraju, a na anodi oksidiraju: Katoda (-): 2H2O(l) + 2e- → H2(g) + 2OH-(aq) / x2 Anoda (+): 2H2O(l) → O2(g) + 4H+(aq) + 4e_______________________________________________ Ukupno: 6H2O(l) → H2(g) + O2(g) + 4OH-(aq) + 4H+(aq) ili 2H2O(l) → 2H2(g) + O2(g) Elektrolizom vode nastaju vodik i kisik u volumnom omjeru 2:1 (plin praskavac). U vodenim otopinama soli, osim iona soli, prisutne su i molekule vode. Budući da molekule vode mogu biti ukljuĉene u proces elektrolize, moţe se dogoditi da se na elektrodama umjesto iona soli reduciraju ili oksidairaju molekule vode. Postoji li mogućnost da se pri elektrolizi zbiva više reakcija na elektrodi, prednost ima ona reakcija koja zahtijeva manju energiju. Iz zasićene vodene otopine natrijeva klorida ne moţe se na katodi izluĉiti natrij, nego se iz molekule razvija plinoviti vodik (manji potrošak elektriĉne energije). 18 Iz vodenih otopina soli reaktivnih metala (metali 1. i 2 skupine periodnog sustava elemenata), na katodi se razvija vodik, a ne metal, jer je za razvijanje vodika potrebna znatno manja energija. Elektroliza zasićene otopine natrijeva klorida vaţan je industrijski proces jer se pomoću njega dobiva niz korisnih tvari: plin, vodik, plin klor i natrijeva luţina. 2.17. KOROZIJA I ZAŠTITA OD KOROZIJE Korozija je prirodni proces razaranja materijala djelovanjem okoliša. Korozija metala je elektrokemijski proces u kojem se metal oksidira kisikom iz zraka u prisutnosti vlage. Ta su dva ĉimbenika dovoljna da prouzroĉe koroziju većine metala, a oneĉišćenost zraka agresivnim plinovima kao što su sumporov dioksid i dušikovi oksidi pojaĉavaju koroziju. Doda li se tomu da u primorskim krajevima zrak sadrţi kapljice morske vode u kojima se nalaze raznovrsni ioni soli, od kojih je najviše kloridnih iona, jasno je da je korozija u tom podruĉju vrlo jaka. HrĊa je gotovo netopljiva u vodi, ali je naţalost porozna pa kroz nju lako prodiru kisik i elektrolitna otopina. To znaĉi da se proces korozije nastavlja, pa korozija zahvaća sve dublje slojeve ţeljeza. Prema vrijednostima standardnih elektrodnih potencijala, valjalo bi oĉekivati da cink, magnezij, aluminij i još neki metali lako korodiraju. No, to se ne dogaĊa jer se na njihovoj površini djelovanjem kisika iz zraka stvara tanki oksidni sloj, koji nije porozan, izvrsno prianja uz metal i tako ga štiti od korozije. Dakle, takvi su metali spontanom reakcijom zaštićeni od korozije. Budući da je korozija prirodan proces, nije ga moguće potpuno zaustaviti. No, s obzirom na goleme materijalne štete koje korozija donosi gospodarstvu, navest ćemo neke naĉine zaštite materijala od korozije: 1. Anorganske prevleke - nanošenje emajla pri temperaturi višoj od 1000°C 2. Fosfatiranje - uranjanje predmeta u vruću otopinu fosforne kiseline i fosfata 3. Metalne prevlake - nanošenje metala na površinu drugog metala, npr. pocinĉavanje ţeljeza 4. Katodna zaštita 19 - predmet se poveţe s blokom metala koji mnogo lakše korodira (magnezij ili cink) i time se troši 5. Galvanizacija - elektrolitiĉki postupak zaštite od korozije. Predmet koji se zaštićuje spoji se za negativan pol izvora elektriĉne struje (katoda), a metal kojim zaštićujemo predmet spoji se na pozitivan pol izvora struje (anoda). 20 Literatura za produbljivanje znanja: Petreski, A. i Sever, B.: 2005. Kemija za 1. razred ekonomskih škola, Zagreb, Školska knjiga. 21 PITANJA ZA SAMOUČENJE I PROVJERU ZNANJA 1. Dopuni reĉenicu: Hetereogene smjese sastoje se od ____________ faza, a homogene smjese ili otopine sastoje se od ______________ faze. 2. Kako nazivamo pojavu kada koloidne ĉestice rasipaju zraku svjetlosti u svim smjerovima? __________________________________________________________ 3. Zaokruţi slovo ispred jednog toĉnog odgovora. Komponenta koja se nalazi u otopini u većoj koliĉini od ostalih komponenti naziva se: a) otapalo b) suspenzija c) otopljena tvar 4. Na crte ispred navedenih pojmova napiši odgovarajuća slova: ______ metanol i etanol A) topljive u polarnim otapalima ______ nepolarne tvari B) okruţeni molekulama vode ______ hidratizirani ioni C) miješa se s vodom 5. Zaokruţi slovo ispred jednog toĉnog odgovora. Ona otopina koja se nalazi u ravnoteţi s neotopljenom ĉvrstom tvari, tj. otopina koja sadrţi maksimalnu koliĉinu otopljene tvari pri odreĊenoj temperaturi i nalazi se u dinamiĉkoj ravnoteţi s neotopljenom tvari, naziva se: a) prezasićena otopina b) nezasićena otopina c) zasićena otopina 6. Što su elektroliti? ________________________________________________________________________ 22 7. Kemijskom jednadţbom prikaţi ionizaciju molekule vode. ________________________________________________________________________ 8. Zaokruţi slovo ispred jednog toĉnog odgovora. Koncentracija vodikovih iona u neutralnim otopinama je: a) veća 10-7 mol dm-3 b) 10-7 mol dm-3 c) manja 10-7 mol dm-3 9. Dopuni reĉenicu. Prilikom razrijeĊivanja kiselina vodom uvijek valja polagano, uz miješanje dolijevati _______________ u _______________. 10. Na što disociraju baze u vodi? ____________________________________________________________________ 11. Zaokruţi slovo ispred jednog toĉnog odgovora. Osobe koje boluju od viška klorovodiĉne kiseline u ţelucu uzimaju preparate baziĉnog djelovanja ĉime smanjuju kiselost, primjerice: a) natrijev klorid b) sodu bikarbonu c) nartijevu luţinu 12. Što su soli? ________________________________________________________________________ 13. O ĉemu ovisi reaktivnost metala? ________________________________________________________________________ 23 14. Dopuni reĉenicu. _______________ su galvanski ĉlanci koje nakon praţnjenja moţemo regenerirati tako da ponovno postaju izvor elektriĉne struje. 15. Koliko iznosi elektrodni potencijal standardne vodikove elektrode pri svim temperaturama? _____________________________________ 16. Zaokruţi slovo ispred jednog toĉnog odgovora. Suha baterija sastoji se od: a) cinkove posudice i ugljenog štapića b) aluminijske posudice i ugljenog štapića c) cinkove posudice i ţeljeznog štapića 17. Dopuni reĉenicu. Od raznih vrsta akumulatora najviše se uoptrebljava ______________ akumulator. 18. Zaokruţi slovo ispred jednog toĉnog odgovora. Kemijska reakcija prilikom koje se rastvara elektrolit pomoću elektriĉne struje naziva se: a) piroliza b) hidroliza c) elektroliza 19. Koji plinovi nastaju elektrolizom vode? _________________________________________________ 20. Koja dva ĉimbenika uzrokuju koroziju većine metala? ____________________________________________________________ 24
© Copyright 2024 Paperzz
