12.6 – Opløsningers egenskaber

Det opløste stofs partikler spiller en vigtig rolle i bestemmelsen af den opløsnings egenskaber. I de fleste opløsninger vi har kigget på indtil videre, er stoffet opløst som små partikler, der er ligeligt fordelt gennem opløsningsmidlet, og dermed giver en homogen opløsning. Når du kigger på en opløsning, som for eksempel saltvand, kan du ikke visuelt adskille det opløste stof fra opløsningsmidlet. Opløsningen synes transparent, selvom den måske kan have en farve. Partiklerne er så små, at de ikke fanges af filtre og kan gå igennem halvgennemtrængelige membraner. En halvgennemtrængelig membran, tillader opløsningsmidlets molekyler, for eksempel vand, og meget små opløste partikler at passerer, men tillader ikke større opløste partikler at passere.

Kolloider

Partiklerne i en kolloid dispersion, eller kolloid, er meget større end opløste partikler i en opløsning. Kolloide partikler, er store molekyler, som for eksempel proteiner, eller grupper af molekyler, eller ioner. Kolloider, er homogene blandinger, der ikke adskiller sig eller bundfælder. Kolloide partikler er små nok, til at kunne passere gennem filtre, men er for store til at passere gennem halvgennemtrængelige membraner. Tabel 12.8 viser flere eksempler på kolloider.

Suspensioner

Suspensioner er heterogene, ikke uniforme blandinger, der indeholder meget store partikler, som fanges af filtre, og ikke kan passere gennem halvgennemtrængelige membraner. Hvis du rører i en blanding af mudder, blandes den, men adskilles hurtigt igen, efterhånden som suspensionspartiklerne falder til ro på bunden. Før du bruger suspensioner som for eksempel flydende paracetamol, eller flydende antibiotika, er det vigtigt at du ”ryster blanding godt” inden brug, for at suspendere alle partiklerne som produktet indeholder.

Vandrensningsanlæg, anvender egenskaberne af suspensioner, til at rense vand. Når kemikalier, som for eksempel aluminiumsulfat eller jern(III)sulfat, filføres til spildevandet, vil de reagere med små partikler, og danne store suspensionspartikler der kaldes fnug. På rensningsanlægget, fanger et system af filtre suspensionspartiklerne, men lader rent vand passere.

Tabel 12.9, sammenligner de forskellige typer af blandinger, og figur 12.10 illustrerer nogle egenskaber for opløsninger, kolloider, og suspensioner.

**Figur 12.10** – Egenskaber for forskellige typer af blandinger: (a) suspensioner falder til ro; (b) suspensioner adskilles med et filter; (c) opløsningspartikler passerer gennem en halvgennemtrængelig membran, men kolloider og suspensioner, gør ikke.

Konceptforståelse 12.6

Klassificering af typer af blandinger

Klassificér hver af de følgende, som en opløsning, kolloid, eller suspension:

a. en blanding der har partikler der falder til ro.
b. en blanding hvis opløste partikler kan passere gennem både filtre og halvgennemtrængelige membraner.
c. et enzym, der er et langt proteinmolekyle, som ikke kan passerer gennem cellemembraner, men kan passere gennem et filter.

Svar

a. En suspension, har meget store partikler, der falder til ro, hvis holdt i ro.

b. En opløsning, indeholder partikler der er små nok til at passerer gennem både filtre og halvgennemtrængelige membraner.

c. En kolloid, indeholder partikler der er små nok til at passerer gennem et filter, men for store til at passere gennem en halvgennemtrængelig membran (som en cellemembran er et eksempel på).

Sænkning af frysepunkt og hævning af kogepunkt

Når et stof tilføjes vand, ændres fysiske egenskaber som fryse- og kogepunkt. Derfor, vil en vandig opløsning, have et lavere frysepunkt og et højere kogepunkt, end rent vand. Disse typer af ændringer i fysiske egenskaber, kaldet kolligative egenskaber, afhænger af antallet af opløste partikler i opløsningen.

Ethylenglycol tilføjes til en køler i en bil, og danner en vandig opløsning, som har lavere frysepunkt og højere kogepunkt.

Et eksempel du måske kender, er processen med at sprede salt på isglatte fortove og veje, når temperaturen falder til under frysepunktet. Partiklerne fra saltet blander sig med vandet, sænker frysepunktet, hvilket forårsager at isen smelter. Et andet eksempel er tilføjelse af anti-frostvæske, for eksempel ethylenglycol OH—CH₂—CH₂—OH, til vandet i en bils køler. Ethylenglycol, er en organisk forbindelse med to alkohol funktionelle grupper, der danner hydrogenbindinger, hvilket gør det meget opløseligt i vand. Hvis ethylenglycol og vand blandingen, er omkring 50/50 % (masse), fryser væsken i køleren ikke før temperaturen når under -35 ºC og det koger ikke, før temperaturen når over 107 ºC. Opløsningen i køleren, forhindrer dannelsen af is i koldt vejr, og i at koge over på en varm sommerdag.

Billen Upis ceramboides, danner en biologisk antifrostvæske, for at overleve de lave frostgrader der forekommer i Alaska hvor den lever.

Insekter og fisk, der lever i miljøer hvor der er temperaturer under frysepunktet, kontrollerer dannelsen af iskrystaller, ved at danne en biologisk antifrostvæske, lavet af glycerol, proteiner, og sukkerarter såsom glucose, inden i deres kroppe. Nogle insekter kan overleve temperaturer lavere end -60 ºC. Disse danner former for biologiske antifrostvæsker, der måske en dag kan finde anvendelse i langtidsopbevaring af menneskelige organer.

Partikler i opløsninger

Et opløst stof, som er en ikke elektrolyt, opløses som molekyler, hvorimod et opløst stof, der er en stærk elektrolyt, opløses fuldstændig som ioner. Det opløste stof i antifrostvæske, der er ethylenglycol, C₂H₆O₂ – en ikke elektrolyt – opløses som molekyler.

Ikke-elektrolyt: 1 mol C₂H₆O_2(l) = 1 mol C₂H₆O_2(aq)

Men når en mol af en stærk elektrolyt, som for eksempel NaCl eller CaCl₂, opløses i vand, vil NaCl opløsningen indeholde 2 mol partikler, og CaCl₂ opløsningen vil indeholde 3 mol partikler.

Stærke elektrolytter:

$\textup{1 mol NaCl}_{\textup{(s)}}=\underset{\textup{2 mol partikler}_{\textup{(aq)}}}{\underbrace{\textup{1 mol Na}_{\textup{aq}}^{+} +\textup{1 mol Cl}_{\textup{(aq)}}^{-}}}$

$\textup{1 mol CaCl}_{\textup{2(s)}}=\underset{\textup{3 mol partikler}_{\textup{(aq)}}}{\underbrace{\textup{1 mol Ca}_{\textup{(aq)}}^{2+} +\textup{2 mol Cl}_{\textup{(aq)}}^{-}}}$

Molalitet

Beregninger af sænkningen af frysepunktet eller hævningen af kogepunktet, bruger koncentrationsenheden molalitet. Molaliteten, forkortet m, for en opløsning, er antallet af mol opløst stof, per kilogram opløsningsmiddel. Dette kan synes det samme som molaritet, men nævneren for molalitet, refererer til massen af opløsningsmidlet, ikke volumen af opløsningen.

$\textup{Molalitet }(m)=\frac{\textup{mol opl\o st stof}}{\textup{kilogram opl\o sningsmiddel}}$

Opgaveeksempel 12.14

Beregning af molalitet

Beregn molaliteten for en opløsning, der indeholder 35,5 g af ikke elektrolytten glucose (C₆H₁₂O₆) i 0,400 kg vand.

Trin 1:
Angiv de oplyste mængder og de ønskede mængder.

Trin 2:
Opstil molalitetsligningen.

$\textup{Molalitet }(m)\textup{ af glucoseopl\o sning}=\frac{\textup{mol glucose}}{\textup{kilogram vand}}$

Trin 3:
Indsæt opløst stof og opløsningsmiddel-mængderne i ligningen, og beregn resultatet. For at få enheden mol i molalitetsligningen, konverterer vi gram glucose til mol glucose, ved at bruge dens molare masse.

1 mol glucose = 180,2 g glucose

$\frac{\textup{1 mol glucose}}{\textup{180,2 g glucose}}\; \; \; \; \textup{og}\; \; \; \; \frac{\textup{180,2 g glucose}}{\textup{1 mol glucose}}$

$\textup{mol glucose}=\textup{35,5 g glucose}\cdot \frac{\textup{1 mol glucose}}{\textup{180,2 g glucose}}=\textup{0,197 mol glucose}$

$\textup{Molalitet }(m)=\frac{\textup{0,197 mol glucose}}{\textup{0,400 kg vand}}=\textup{0,493 }m$

Brug af molalitet til beregning af frysepunktssænkning og kogepunktshævning

En mol partikler i 1.000 g vand, sænker frysepunktet fra 0 ºC til -1,86 ºC. En lignende ændring sker med kogepunktet for vand. En mol partikler i 1.000 g vand, hæver kogepunktet fra 100 ºC til 100,52 ºC.

Sænkningen af frysepunktet (ΔT_ƒ), bestemmes af molaliteten (m) af partiklerne i opløsningen, og frysepunktskonstanten K_ƒ.

$\Delta T_{f}=m\cdot K_{f}$

Så kan vi beregne det nye, lavere frysepunkt som:

$T_{\textup{opl\o sning}}=T_{\textup{opl\o sningsmiddel}}-\Delta T_{f}$

Frysepunktskonstanten (K_ƒ) for vand, er 1,86 ºC/m.

$\Delta T_{f}=m\cdot K_{f}=\textup{1 }m\cdot \frac{\textup{1,86 }^{\circ}\textup{C}}{m}=\textup{1,86 }^{\circ}\textup{C}$

$T_{\textup{opl\o sning}}=T_{\textup{vand}}-\textup{1,86 }^{\circ}\textup{C}$

$=-\textup{1,86 }^{\circ}\textup{C}$

Hvis der er to mol partikler opløst i 1 kg vand, sænkes frysepunktet dobbelt så meget til -3,72 ºC. For eksempel, dannes 2 mol partikler, i en opløsning af 1 mol NaCl i 1 kg vand, 1 mol Na⁺, og 1 mol Cl^–. Dermed, danner 1 mol NaCl i 1 kg vand, en 2 m opløsning af partikler:

$\Delta T_{f}=m\cdot K_{f}=\textup{2 }m\cdot \frac{\textup{1,86 }^{\circ}\textup{C}}{m}=\textup{3,72 }^{\circ}\textup{C}$

$T_{\textup{opl\o sning}}=T_{\textup{vand}}-\Delta T_{f}$

$=\textup{0 }^{\circ}\textup{C}-\textup{3,72 }^{\circ}\textup{C}$

$=-\textup{3,72 }^{\circ}\textup{C}$

En lignende ændring sker med kogepunktet for vand. Kogepunktshævningen (ΔT_b), bestemmes ud fra molaliteten (m) af partiklerne i opløsningen, og kogepunktskonstanten, K_b.

$\Delta T_{b}=m\cdot K_{b}$

$T_{\textup{opl\o sning}}=T_{\textup{vand}}-\Delta T_{b}$

Kogepunktskonstanten (K_b) for vand, er 0,52 ºC/m.

$\Delta T_{b}=m\cdot K_{b}=\textup{1 }m\cdot \frac{\textup{0,52 }^{\circ}\textup{C}}{m}=\textup{0,52 }^{\circ}\textup{C}$

$T_{\textup{opl\o sning}}=T_{\textup{vand}}-\Delta T_{b}$

$=\textup{100,0 }^{\circ}\textup{C}+\textup{0,52 }^{\circ}\textup{C}$

$=\textup{100,52 }^{\circ}\textup{C}$

Effekten af nogle opløste stoffers virkning på fryse- og kogepunkt, kan ses i tabel 12.10.

Konceptforståelse 12.7

Frysepunktsændringer

I hvert par, angiv den opløsning der vil have det laveste frysepunkt. Forklar hvorfor.

a. 1,0 mol NaOH (stærk elektrolyt) og 1,0 mol ethylenglycol (ikke elektrolyt), hver i 1,0 kg vand
b. 0,20 mol KNO₃ (stærk elektrolyt) og 0,20 mol Ca(NO₃)₂ (stærk elektrolyt), hver i 1,0 kg vand

Svar

a. Når 1,0 mol NaOH opløses i vand, vil der dannes 2 mol partikler, fordi hver NaOH dissocierer og giver to partikler, Na⁺ og OH^–. 1 mol ethylenglycol opløses derimod som molekyler, og danner kun 1 mol partikler. Derfor, vil 1,0 mol NaOH opløst i 1,0 kg vand, have det laveste frysepunkt.

b. Når 0,20 mol KNO₃ opløses i vand, dannes der 0,40 mol partikler, fordi hver KNO₃ dissocierer og giver to partikler, K⁺ og NO₃^–. Når 0,20 mol Ca(NO₃)₂ opløses i vand, dannes der 0,60 mol partikler, fordi hver Ca(NO₃)₂ dissocierer og giver tre partikler, Ca²⁺ og 2 NO₃^–. Derfor, vil 0,2 mol Ca(NO₃)₂ opløst i 1,0 kg vand, have det laveste frysepunkt.

Opgaveeksempel 12.15

Beregning af frysepunktssænkning

I mange lande hvor temperaturen kommer ned under frysepunktet om vinteren, spredes CaCl₂ på isglatte veje, for at smelte isen. Beregn frysepunktssænkningen af en opløsning, der indeholder 225 g CaCl₂ i 500,0 g vand.

Løsning

Trin 1:
Angiv de oplyste mængder og de ønskede mængder.

Trin 2:
Opstil ligningen for ændringen i fryse- eller kogepunktet.

$\Delta T_{f}=m\cdot K_{f}$

Trin 3:
Indsæt molaliteten i ligningen, og beregn resultatet. Vi bruger den molare masse til at beregne antal mol CaCl₂. Derefter ganger vi med tre, for at få antallet af mol ioner (partikler) der dannes af 1 mol CaCl₂ i opløsning.

$m=\frac{\textup{mol partikler}}{\textup{kilogram vand}}$

Beregning af molaliteten af CaCl₂ opløsningen:

$\textup{mol partikler}=\textup{225 g CaCl}_{2}\cdot \frac{\textup{1 mol CaCl}_{2}}{\textup{110,98 g CaCl}_{2}}\cdot \frac{\textup{3 mol partikler}}{\textup{1 mol CaCl}_{2}}=\textup{6,08 mol partikler}$

$\textup{Molalitet }(m)=\frac{\textup{6,08 mol partikler}}{\textup{0,500 kg vand}}=\textup{12,2 }m$

Frysepunktssænkningen beregnes, ved at anvende molaliteten og frysepunktskonstanten. Endelig, trækkes frysepunktssænkningen fra 0 ºC, for at få det nye frysepunkt for CaCl₂ opløsningen.

$\Delta T_{f}=\textup{12,2 }m\cdot \frac{\textup{1,86 }^{\circ}\textup{C}}{m}=\textup{22,7 }^{\circ}\textup{C}$

$T_{\textup{opl\o sning}}=T_{\textup{vand}}-\Delta T_{f}$

$=\textup{0 }^{\circ}\textup{C}-\textup{22,7 }^{\circ}\textup{C}=\textup{-22,7 }^{\circ}\textup{C}$

Osmotisk tryk

Bevægelsen af vand ind og ud af celler i planter, såvel som i vores egne kroppe, er en vigtig biologisk proces, der også er afhængig af koncentrationen af opløst stof. I osmose, tillader en halvgennemtrængelig membran, molekylerne i opløsningsmidlet, vand, at bevæge sig gennem, men tilbageholder molekyler. Ved denne proces af diffusion, bevæger vand sig fra det område hvor koncentrationen er højest, til det område hvor koncentrationen er lavest. Ved udtrykt som koncentrationer af opløst stof, flyder vand gennem membranen i den retning der vil udligne, eller forsøge at udligne, koncentrationen af opløst stof på begge sider af membranen. Selvom vand kan flyde i begge retninger gennem denne halvgennemtrængelige membran, går nettostrømmen af vand, fra den side med den laveste koncentration af opløst stof, til den side med højest koncentration af opløst stof.

Hvis et osmoseapparat indeholder vand på den ene side og sucroseopløsning på den anden side, vil nettostrømningen af vand, være fra det rene vand over i sucroseopløsningen, hvilket øger dens volumen og sænker koncentrationen af sucrose. Hvis tilfældet var at apparatet indeholde to sucrose opløsninger med forskellige koncentrationer, ville vand strømme fra den side med den laveste koncentration, til den siden med den højeste koncentration.

Til sidt, vil højden på sucroseopløsningen give et tilstrækkeligt højt tryk, til at udligne strømningen af vand mellem de to områder. Dette tryk, kaldet osmotisk tryk, forhindrer yderligere strømning af vand, ind i den mere koncentrerede opløsning. Herefter der er ikke yderligere ændring i volumenerne af de to opløsninger. Det osmotiske tryk afhænger af koncentrationen af opløste stofpartikler i opløsningen. Jo større antal partikler der er opløst, desto højere er det osmotiske tryk. I dette eksempel, har sucroseopløsningen et højere osmotisk tryk end det rene vand, der har et osmotisk tryk på nul.

Vand strømmer ind i opløsningen med den højeste koncentration af opløst stof, indtil vandstrømningen bliver lige stor i begge retninger.

I en proces kaldet omvendt osmose, påføres et tryk større end det osmotiske tryk, på en opløsning, så opløsningen bliver tvunget igennem en rensningsmembran. Strømningen er omvendt fordi, vandet strømmer fra et område med lavere koncentration af vand, til et område med højere koncentration af vand. Molekylerne og ionerne i opløsningen bliver tilbage, fanget bag membranen, mens vand passerer gennem membranen. Denne omvendt osmoseproces, bruges i nogle få afsaltningsanlæg, for at få rent vand fra havvand (saltvand). Trykket der skal lægges på opløsningen, er imidlertid så energikrævende (og dyrt at fremstille), at omvendt osmose endnu ikke er en økonomisk profitabel måde at skaffe rent vand på, de fleste steder på Jorden.

Konceptforståelse 12.8

Osmotisk tryk

En 2% (m/m) sucroseopløsning og en 8% (m/m) sucroseopløsning, er adskilt af en halvgennemtrængelig membran.

a. Hvilken sucroseopløsning udøver det største osmotiske tryk?
b. I hvilken retning strømmer vandet indledningsvis?
c. Hvilken opløsning vil have den højeste vandstand ved opnået ligevægt?

Svar

a. 8% (m/m) sucroseopløsningen har det største koncentration af opløst stof, flere opløste partikler, og det største osmotiske tryk.

b. Indledningsvis, vil vand strømme ud af 2% (m/m) sucroseopløsningen og ind i den mere koncentrerede 8% (m/m) opløsning.

c. Vandstanden på 8% (m/m) sucroseopløsningen vil være højest.

Isotoniske opløsninger

En 0,9% NaCl opløsning, er isotonisk med koncentrationen af opløst stof i blodcellerne i kroppen.

Fordi cellemembranerne i biologiske systemer er halvgennemtrængelige, er osmose en løbende proces. De opløste stoffer i kroppen, som for eksempel blod, kropsvæsker, lymfevæske, og plasma, udøver alle et osmotisk tryk. De fleste intravenøse (IV) opløsninger der anvendes på et hospital er isotoniske opløsninger, hvilke udøver det samme osmotiske tryk som kropsvæskerne, så som blod. Procentkoncentrationen der typisk anvendes i IV opløsninger, er den samme som typerne af procentkoncentrationerne vi allerede har set på, bortset fra, at procentkoncentrationerne på IV opløsninger er masse/volumen (m/v). De typiske isotoniske opløsninger er, 0,9% (m/v) NaCl opløsning, eller 0,9 g NaCl/100 mL opløsning, og 5% (m/v) glucoseopløsning, eller 5 g glucose/100 mL opløsning. Selvom de ikke indeholder de samme slags partikler, er både 0,9% (m/v) NaCl opløsninger, og 5% (m/v) glucoseopløsninger, begge på 0,3 M (Na⁺ og Cl^– ioner, eller glucosemolekyler). Et rødt blodlegeme der placeres i en isotonisk opløsning, bibeholder dens volumen, fordi der er en lige stor strømning af vand, ind og ud af cellen (se figur 12.11a).

Hypotoniske og hypertoniske opløsninger

Hvis et rødt blodlegeme placeres i en opløsning der ikke er isotonisk, kan forskellene i osmotisk tryk inde i og uden for cellen, dramatisk ændre cellens volumen. Når et rødt blodlegeme placeres i en hypotonisk opløsning, hvilken har en laver koncentration af opløste stoffer (”hypo” betyder ”lavere end”), strømmer vand ind i cellen ved osmose. Stigningen i væske, forårsager at cellen svulmer op og måske sprænger – en proces kaldet hæmolyse – (se figur 12.11b). En lignende proces sker, når du placerer tørrede fødevarer, som for eksempel rosiner eller tørret frugt, i vand. Vandet strømmer ind i cellerne, og frugten bliver blød og glat.

Hvis et rødt blodlegeme placeres i en hypertonisk opløsning, hvilken har en højere koncentration (”hyper” betyder ”større end”), strømmer vand ud af cellen og over i den hypertoniske opløsning ved osmose. For eksempel, hvis et rødt blodlegeme blev placeret i en 10% (m/v) NaCl opløsning. Fordi det osmotiske tryk i cellen er lig med det af en 0,9% (m/v) NaCl opløsning, skrumper cellen (se figur 12.11c). En lignende proces sker når du laver pickles agurker, som anvender en hypertonisk saltopløsning, som forårsager agurken til at skrumpe som de mister vand.

**Figur 12.11** – (a) i en isotonisk opløsning, bibeholder et rødt blodlegeme, sit normale volumen. (b) Hæmolyse: I en hypotonisk opløsning, strømmer vand ind i et rødt blodlegeme, og forårsager at cellen hæver og springer. (c) Skrumpning: I en hypertonisk opløsning, strømmer vandet ud af det røde blodlegeme, og forårsager at cellen skrumper.

Konceptforståelse 12.16

Kemikalier

Beskriv hver af følgende opløsninger som isotonisk, hypotonisk, eller hypertonisk. Angiv om røde blodlegemer der placeres i opløsningen undergår hæmolyse, skrumpning, eller ingen ændring.

a. en 5,0% (m/v) glucoseopløsning b. en 0,2 % (m/v) NaCl opløsning

Svar

a. En 5,0% (m/v) glucoseopløsning er isotonisk. Et rødt blodlegeme, vil ikke opleve nogen ændring.

b. En 0,2% (m/v) NaCl opløsning er hypotonisk. Et rødt blodlegeme vil undergå hæmolyse.

Dialyse

Dialyse er en proces, der svarer til osmose. I dialyse, tillader en halvgennemtrængelig membran, kaldet en dialysemembran, små opløste molekyler og ioner, såvel som opløsningsmidlet vand, at passere gennem den, men den tilbageholder større partikler, som for eksempel kolloider. Dialyse er en måde at adskille opløste partikler fra kolloider.

← Forsiden

13. Reaktionshastighed og kemisk ligevægt →