Rastvorljivost
Rastvorljivost je osobina supstance koja se može rastvoriti u određenom rastvaraču pod određenim uslovima. Interakcija između molekula rastvarača i supstance koja se rastvara naziva se solvatacija (ako je rastvarač voda - hidratacija).[1][2]
Rastvorljivost supstance se objašnjava pomoću polarnosti. Kod rastvaranja važi empirijsko pravilo: Slično se rastvara u sličnom. Polarne supstance (npr. HCl) i jonska jedinjenja se dobro rastvaraju u polarnim rastvaračima (npr. voda), a nepolarne u nepolarnim. Primer može biti rastvaranje joda (nepolarna supstanca) u hloroformu (CHCl3, nepolarni organski rastvarač). Obično se za primer rastvaranja nepolarnih supstanci uzima rastvorljivost organskih jedinjenja u organskim rastvaračima. Kod rastvorljivosti važnu ulogu ima i vodonična veza.
Rastvor koji se nalazi u ravnoteži i ne može rastvoriti više supstance naziva se zasićeni rastvor. Za teško rastvorljive supstance rastvorljivost se može procijeniti na osnovu vrijednosti proizvoda rastvorljivosti.
Mnogi elementi su rastvorljivi (u različitim količinama) ali ima i onih koji uopšte nemaju ovu osobinu. Takvi su, na primer, plemeniti metali (platina, zlato, srebro, ...)
IUPAC definicija uredi
Prema IUPAC definiciji,[3] rastvorljivost je analitički sastav zasićenog rastvora izražen kao udeo date rastvorene supstance u naznačenom rastvaraču. Rastvorljivost se može navesti u različitim jedinicama koncentracije, kao što su molarnost, molalnost, molarna frakcija, molski odnos, masa (rastvorka) po zapremini (rastvarača) i drugim jedinicama.
Kvalifikacije se koriste za opisivanje stepena rastvorljivosti uredi
Stepen rastvorljivosti je u širokom opsegu, od beskrajno rastvorljivog (bez ograničenja) (mešljivog[4]) kao što je etanol u vodi, do slabo rastvorljivog, kao što je srebro hlorid u vodi. Termin nerastvorljiv često se primenjuje na slabo ili vrlo slabo rastvorljiva jedinjenja. Brojni drugi opisni izrazi se takođe koriste da bi se kvalifikovao stepen rastvorljivosti za datu aplikaciju. Na primer, U.S. Farmakopeja daje sledeće izraze:
| Pojam | Masni delovi rastvarača potrebni za rastvaranje 1 masenog dela rastvorka[5] |
|---|---|
| Veoma rastvorljiv | <1 |
| Slobodno rastvorljiv | 1 do 10 |
| Rastvorljiv | 10 do 30 |
| Slabo rastvorljiv | 30 do 100 |
| Malo rastvorljiv | 100 do 1000 |
| Veoma malo rastvorljiv | 1000 do 10.000 |
| Praktično nerastvorljiv ili nerastvorljiv | ≥ 10.000 |
Pragovi za opisivanje nečega kao nerastvorljivog, ili slični termini, mogu zavisiti od primene. Na primer, jedan izvor navodi da su supstance opisane kao „nerastvorljive“ kada je njihova rastvorljivost manja od 0,1 g na 100 ml rastvarača.[6]
Molekularno gledište uredi
Rastvorljivost se javlja u dinamičkoj ravnoteži, što znači da je rastvorljivost rezultat simultanih i suprotstavljenih procesa rastvaranja i faznog spajanja (npr. taloženje čvrstih materija). Ravnoteža rastvorljivosti nastaje kada se dva procesa odvijaju konstantnom brzinom.
Termin rastvorljivost se takođe koristi u nekim poljima gde je rastvorena supstanca promenjena solvolizom. Na primer, za mnoge metale i njihove okside se kaže da su „rastvorljivi u hlorovodoničnoj kiselini“, iako u stvari vodena kiselina nepovratno razgrađuje čvrstu supstancu dajući rastvorljive proizvode. Tačno je i da se većina jonskih čvrstih materija rastvara polarnim rastvaračima, ali takvi procesi su reverzibilni. U onim slučajevima u kojima se rastvorena supstanca ne regeneriše isparavanjem rastvarača, postupak se naziva solvoliza. Termodinamički koncept rastvorljivosti se ne primenjuje direktno na solvolizu.
Kada se rastvorak rastvori, on može da formira nekoliko formi u rastvoru. Na primer, vodena suspenzija železovog hidroksida, Fe(OH)
2, sadržaće seriju [Fe(H
2O)x(OH)x](2x)+ kao i druge vrste. Dalje, rastvorljivost železovog hidroksida i kompozicija njegovih rastvorljivih komponenti zavise od pH. Generalno, rastvorljivost u fazi rastvarača može se dati samo za određenu rastvorenu supstancu koja je termodinamički stabilna, a vrednost rastvorljivosti će obuhvatiti sve oblike u rastvoru (u primeru iznad, sve komplekse koji sadrže gvožđe).
Faktori rastvorljivosti uredi
Rastvorljivost materije zavisi od međumolekulskih sila između rastvarača i rastvorka, odnosno energetskim promenama tokom rastvaranja.
Treba razlikovati dva dela procesa rastvaranja. Prvi deo procesa rastvaranja je energija potrebna da se čvrsta materija disocira, odnosno da se materija razdvoji na slobodne jone (jonske materije) ili slobodne molekule (kovalentne materije). Taj deo procesa rastvaranja traži ulaganje energije, on je endoterman, jer je potrebno razbiti određenu kristalnu strukturu čvrste materije koja se rastvara. Drugi deo procesa rastvaranja je energija koja se oslobađa, jer kod slobodnih jonskih čestica dolazi do hidratacije, vezivanja s molekulama vode (jon-dipol veza), odnosno kod slobodnih molekula dolazi do solvatacije, vezivanja s molekulama nekog nepolarnog rastvarača (veza indukovani dipol-indukovani dipol). Taj drugi deo procesa rastvaranja oslobađa energiju, jer su hidratacija i solvatacija egzotermni procesi. Ultimatno je proces rastvaranja endoterman, ako je energija disocijacije veća od energije hidratacije, odnosno proces rastvaranja je egzoterman ako je energija disocijacije manja od energije hidratacije. Slično vredi za kovalentne materije koje se dobro rastvaraju u nepolarnim rastvaračima i gde je hidratacija zamenjena solvatacijom.[7]
Uticaj polarnosti rastvarača na rastvorljivost neke materije najčešće se opisuje pravilom prema kojem se slično rastvara sličnim, što znači da će se polarne materije najbolje rastvarati u polarnim rastvaračima, a nepolarne u nepolarnima, iako to pravilo nije uvek primenljivo. Temperatura i pritisak utiču na ravnotežu rastvaranja. S porastom temperature rastvorljivost čvrstih materija najčešće se povećava, dok gasovi postaju slabije rastvorni u vodi, ali bolje rastvorni u organskim rastvaračima. Rastvorljivost plinova proporcionalna je pritisku plina (Henrijev zakon). Brzina rastvaranja zavisi od veličine čestica, jer se rastvaranje zbiva samo na površini čestice, te se manje čestice rastvaraju brže, jer imaju veću specifičnu površinu. Brzina rastvaranja takođe zavisi od mešanja (koje ubrzava rastvaranje), količine već rastvorene materije (približavanjem koncentracije maksimalnoj rastvorljivosti rastvaranje se usporava) i temperature, koja uz povećanje maksimalne rastvorljivosti povećava i brzinu rastvaranja.[8]
Zavisnost rastvorljivosti od temperature uredi
Rastvorljivost datog rastvorka u datom rastvaraču je funkcija temperature. U zavisnosti od promene Gibsove slobodne energije (ΔG) reakcije rastvaranja, tj. od endotermnog (ΔG > 0) ili egzotermnog (ΔG < 0) karaktera reakcije rastvaranja, rastvorljivost datog jedinjenja može se povećati ili smanjiti sa temperaturom. Vant Hofova jednačina se odnosi na promenu konstante ravnoteže rastvorljivosti (Ksp) sa promenom temperature i promenom entalpije reakcije (ΔH). Za većinu čvrstih tela i tečnosti njihova rastvorljivost raste sa temperaturom, jer je njihova reakcija rastvaranja endotermna (ΔG > 0).[9] U tečnoj vodi na visokim temperaturama (npr. onoj koja se približava kritičnoj temperaturi) rastvorljivost jonskih rastvoraka ima tendenciju smanjenja usled promene svojstava i strukture tečne vode; niža dielektrična konstanta rezultira manje polarnim rastvaračem i promenom energije hidratacije koja utiče na ΔG reakcije rastvaranja.
Gasovite rastvorene materije pokazuju složenije ponašanje sa temperaturom. Kako se temperatura podiže, gasovi obično postaju manje rastvorljivi u vodi (reakcija egzotermnog rastvaranja povezana sa njihovom hidratacijom) (do minimuma, što je ispod 120 °C za većinu permanentnih gasova[10]), ali su rastvorljiviji u organskim rastvaračima (reakcija endotermnog rastvaranja povezana sa njihovom solvatacijom).[9]
Grafikon prikazuje krive rastvorljivosti za neke tipične čvrste neorganske soli (temperatura je u stepeni Celzijusa, tj. Kelvini minus 273,15).[11] Mnoge soli se ponašaju kao barijum nitrat i dinatrijum hidrogen arsenat i pokazuju veliko povećanje rastvorljivosti sa temperaturom (ΔG > 0). Neki rastvorci (npr. natrijum hlorid u vodi) pokazuju rastvorljivost koja je prilično nezavisna od temperature (ΔG ≈ 0). Nekoliko njih, poput kalcijum sulfata (gipsa) i cerijum(III) sulfata, postaju manje rastvorljivi u vodi kako temperatura raste (ΔG < 0).[12] To je slučaj i sa kalcijum hidroksidom (portlandit), čija je rastvorljivost na 70 °C oko polovine njegove vrednosti na 25 °C. Rastvaranje kalcijum-hidroksida u vodi je takođe egzotermni proces (ΔG < 0) i sledi vant Hofovu jednačinu i Le Šateljeov princip. Snižavanje temperature favorizuje uklanjanje toplote od rastvaranja iz sistema i na taj način favorizuje rastvaranje Ca(OH)2: te se rastvorljivost portlandita povećava na niskim temperaturama. Ova zavisnost od temperature se ponekad naziva „retrogradnom“ ili „inverznom“ rastvorljivosti. Povremeno se primećuje složeniji obrazac, kao kod natrijum sulfata, gde manje rastvorljivi kristali dekahidrata (mirabilit) gube kristalizacionu vodu na 32 °C da bi stvorili rastvorljiviju bezvodnu fazu (tenardit), zbog promene Gibsove slobodne energije (ΔG) reakcije rastvaranja.
Rastvorljivost organskih jedinjenja gotovo se uvek povećava sa temperaturom. Tehnika rekristalizacije koja se koristi za prečišćavanje čvrstih supstanci zavisi od različitih rastvorljivosti rastvorenih supstanci u toplom i hladnom rastvaraču. Postoji nekoliko izuzetaka, poput određenih ciklodekstrina.[13]
Podela materija i rastvora prema rastvorljivosti uredi
Materije se rastvaranjem mogu međusobno mešati u svim odnosima (na primer etanol i voda), u ograničenim odnosima ili u zanemarivim odnosima, kada se smatraju nerastvornim. Rastvor koji sadrži maksimalnu ravnotežnu količinu rastvorka pri datim uslovima naziva se zasićenim rastvorom. Pri određenim uslovima količina rastvorene materije može biti nešto veća od ravnotežne, a nastali metastabilni rastvor naziva se prezasićenim.
Postoje i čvrsti rastvori, homogene smese čvrstih materija (npr. legure, staklo). Količina rastvorene materije se najčešće izražava kao molarna ili masena koncentracija, ili pak kao molarni ili maseni udeo rastvorka u rastvaraču.
Rastvorljivost u vodi prema vrsti hemijske veze uredi
Sposobnost supstance da se rastvara u vodi gradeći homogenu smešu naziva se hidratacija.
| Vrsta veze | Rastvorljivost supstance u vodi | Primer |
|---|---|---|
| jonska | uglavnom rastvorljive | vidi ispod |
| metalna | nerastvorive | Fe |
| osim ako reaguju sa vodom | K | |
| polarna kovalentna | rastvorljive ako grade vodoničnu vezu | glukoza |
| rastvorljive ako reaguju sa vodom | HCl | |
| inače nerastvorljive | eter | |
| nepolarna kovalentna | uglavnom nerastvorljive | benzen |
| neke slabo rastvorljive | O2 | |
| kovalentna u kristalu | nerastvorljive | dijamant |
Rastvorljivost jonskih jedinjenja u vodi uredi
| Rastvorljive soli | Nerastvorljive soli |
|---|---|
| sve soli alkalnih metala i NH4+ | karbonati (osim alkalnih metala i NH4+) |
| nitrati | sulfiti (osim alkalnih metala i NH4+) |
| acetati | fosfati (osim alkalnih metala i NH4+) |
| hloridi, bromidi i jodidi (osim Ag+, Pb2+, Cu+ i Hg22+) | hidroksidi i oksidi (osim alkalnih metala, NH4+, Ba2+, Sr2+, Ca2+ i Tl+) |
| sulfati (osim Ag+, Pb2+, Ba2+, Sr2+ i Ca2+) | sulfidi (osim alkalnih i zemnoalkalnih metala te NH4+) |
Rastvorljivost materije u rastvaračima uredi
Voda je uobičajeno ali istovremeno vrlo osoben rastvarač. Molekuli vode su dipoli među kojima deluje vodonična veza te je voda najpolarniji rastvarač. Neki drugi rastvarači su takođe polarni (alkoholi), slabo polarni (etri) ili nepolarni (ugljovodonici). U vodi se zato dobro rastvaraju polarne odnosno jonske materije, građene od naelektrisanih čestica jona, a to su razne soli, kiseline, hidroksidi, dok se nepolarne materije (jod, sumpor) ne rastvaraju ili ne mešaju (ugljenovodonici, ulja). Obrnuto u nepolarnim ili slabo polarnim rastvaračima (ugljovodonici, etri) slabo se rastvaraju jonske materije, a dobro se rastvaraju nepolarne kovalentne materije (ulja, masti). Zato je postavljeno „zlatno pravilo” rastvaranja:
„Slično se rastvara u sličnom!”[7]
Takođe vredi generalno: rastvorljivost čvrstih materija raste s porastom temperature rastvarača, dok rastvorljivost gasova opada.
Reference uredi
- ^ Clugston M. and Fleming R. (2000). Advanced Chemistry (1st izd.). Oxford: Oxford Publishing. str. 108.
- ^ IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). XML on-line corrected version: http://goldbook.iupac.org (2006-) created by M. Nic, J. Jirat, B. Kosata; updates compiled by A. Jenkins. ISBN 978-0-9678550-9-7. . doi:10.1351/goldbook. Недостаје или је празан параметар
|title=(помоћ). Entry: Solubility. - ^ IUPAC. „Solubility”. Kompendijum hemijske terminologije (Internet izdanje).
- ^ Clugston, M.; Fleming, R. (2000). Advanced Chemistry (1st изд.). Oxford: Oxford Publishing. стр. 108.
- ^ "Pharmacopeia of the United States of America, 32nd revision, and the National Formulary, 27th edition," 2009, pp.1 to 12.
- ^ Rogers, Elizabeth; Stovall, Iris (2000). „Fundamentals of Chemistry: Solubility”. Department of Chemistry. University of Wisconsin. Архивирано из оригинала 13. 4. 2015. г. Приступљено 22. 4. 2015.
- ^ а б Habuš, Strićević, Liber: Opća kemija 2, Udžbenik kemije, 2. izd., Profil, Zagreb, 2008., ISBN 978-953-12-0390-6, str.30-42
- ^ [1] Leksikografski zavod Miroslav Krleža, Hrvatska enciklopedija: Topljivost
- ^ a b John W. Hill, Ralph H. Petrucci, General Chemistry, 2nd edition, Prentice Hall, 1999.
- ^ P. Cohen, ur. (1989). The ASME Handbook on Water Technology for Thermal Power Systems. The American Society of Mechanical Engineers. str. 442.
- ^ Handbook of Chemistry and Physics (27th izd.). Cleveland, Ohio: Chemical Rubber Publishing Co. 1943.
- ^ „What substances, such as cerium sulfate, have a lower solubility when they are heated?”. Pristupljeno 28. 5. 2014.
- ^ Salvatore Filippone, Frank Heimanna and André Rassat (2002). „A highly water-soluble 2+1 b-cyclodextrin–fullerene conjugate”. Chem. Commun. 2002 (14): 1508—1509. doi:10.1039/b202410a.
Literatura uredi
- Clugston M. and Fleming R. (2000). Advanced Chemistry (1st izd.). Oxford: Oxford Publishing. str. 108.
