Zmesi

Zmesi vznikajú zmiešaním dvoch alebo viacerých chemicky čistých látok (zložiek zmesi). Zloženie zmesí nie je možné vyjadriť pomocou chemického vzorca. Vlastnosti zmesí závisia od zloženia a pomeru jednotlivých zložiek.

Na oddeľovanie zložiek zo zmesí sa využívajú rôzne metódy, ktoré využívajú rozdielne fyzikálne vlastnosti zložiek. Rozlišovanie medzi homogénnymi a heterogénnymi sústavami závisí od veľkosti rozptýlených častíc.

Zmesi sa môžu deliť na:

• Rôznorodé zmesi: Zložky je možné rozlíšiť voľným okom alebo pod mikroskopom (napr. žula, piesok s vodou, olej s vodou, pena).
• Rovnorodé zmesi (roztoky): Zložky nie je možné rozlíšiť voľným okom ani pod mikroskopom (napr. zliatiny kovov, sklo, minerálna voda, ocot, vzduch). Roztoky sú homogénne disperzné sústavy, v ktorých je dispergovaná látka rozptýlená v dispergujúcej látke vo forme častíc s veľkosťou molekúl alebo iónov.

Zmesi môžu existovať v rôznych skupenstvách:

• pevné
• kvapalné
• plynné

Špeciálnym prípadom sú koloidné zmesi, ktoré sa nachádzajú na pomedzí homogénnych a heterogénnych zmesí. Veľkosť častíc v koloidných zmesiach je medzi 10⁻⁹ m až 10⁻⁷ m. Príkladmi sú makromolekuly vo vode (proteíny, škrob, DNA).

Heterogénne zmesi link

Heterogénne (rôznorodé) zmesi sa rozlišujú na základe ich charakteristických znakov:

• Nemajú rovnaké zloženie v celom objeme zmesi. Skladajú sa z dvoch a viac fáz.
• Zložky sa dajú rozoznať okom, lupou alebo mikroskopom.
• Častice sú väčšie ako 10⁻⁷ m.

Heterogénne zmesi na základe skupenstva môžu byť:

Homogénne zmesi link

Homogénne (rovnorodé) zmesi sa rozlišujú na základe ich charakteristických znakov:

• Majú rovnaké zloženie a vlastnosti v celom objeme zmesi. Každá časť takejto sústavy má rovnaké vlastnosti.
• Zložky nemožno rozoznať voľným okom, lupou ani mikroskopom.
• Tvoria len jednu fázu.
• Častice sú menšie ako 10⁻⁹ m.

Homogénne zmesi na základe skupenstva môžu byť:

Roztok je homogénna zmes, kde sa jedna alebo viac látok (rozpustených látok) rozpúšťa v rozpúšťadle.

Na rozlíšenie rozpustenej látky a rozpúšťadla je dôležité pochopiť ich definície a vzájomný vzťah v roztoku:

Rozpúšťadlo:

• Je to zložka roztoku, ktorá je v zmesi prítomná v najväčšom množstve.
• Ak je v zmesi prítomná voda, považuje sa za rozpúšťadlo bez ohľadu na jej množstvo.
• Rozpúšťadlom môže byť kvapalina (najčastejšie), ale aj plyn alebo tuhá látka.
• Rozpúšťadlo disperguje (rozptyľuje) rozpustenú látku.

Rozpustená látka:

• Je to zložka roztoku, ktorá je v rozpúšťadle rozptýlená.
• Môže byť v rôznom skupenstve: plynná, kvapalná alebo tuhá.
• Jej množstvo je v roztoku menšie ako množstvo rozpúšťadla.
• Maximálne množstvo látky, ktoré sa pri danej teplote rozpustí v rozpúšťadle, sa nazýva rozpustnosť.

Rozpustnosť látky link

Rozpustnosť látky v danom rozpúšťadle je definovaná ako hmotnosť látky, ktorá sa pri danej teplote rozpustí v danom množstve rozpúšťadla za vzniku nasýteného roztoku. Rozpustnosť sa môže vyjadriť rôznymi spôsobmi, napríklad ako hmotnosť látky v gramoch rozpustnej v 100 gramoch rozpúšťadla, alebo ako koncentrácia nasýteného roztoku v mol/dm³.

Nasýtený roztok link

Nasýtený roztok je roztok, v ktorom sa pri danej teplote už nerozpustí ďalšie množstvo látky.

Postup prípravy nasýteného roztoku (stručný popis):

1. Výpočet potrebného množstva látky a rozpúšťadla
   • Zistite rozpustnosť látky pri danej teplote z tabuliek.
   • Vypočítajte potrebné množstvo látky a rozpúšťadla na nasýtený roztok.
2. Odmeranie rozpúšťadla
   • Odmerajte menší objem rozpúšťadla, ako ste vypočítali.
3. Naváženie látky
   • Na váhach presne odvážte požadované množstvo tuhej látky.
4. Rozpúšťanie látky
   • Preneste látku do rozpúšťadla, opláchnite odvažovačku a pridajte oplach.
   • Miešajte, prípadne mierne zahrejte na urýchlenie rozpúšťania.
5. Overenie nasýtenia roztoku
   • Ak sa látka nerozpustí, roztok je nasýtený.
   • Pridajte malé množstvo rozpúšťadla na overenie.
6. Preliatie roztoku
   • Prelejte roztok do odmernej banky cez lievik.
   • Doplňte rozpúšťadlom po rysku a premiešajte.
7. Označenie roztoku
   • Prelejte do reagenčnej fľaše a označte štítkom (názov, koncentrácia, dátum).

Koncentrácia roztoku link

Na výpočet koncentrácie roztoku, ak je dané látkové množstvo (resp. hmotnosť látky) a objem roztoku, sa používa vzorec pre koncentráciu látkového množstva (c). Tá vyjadruje, aké látkové množstvo rozpustenej látky pripadá na jednotku objemu roztoku.

Vzorec:

\( c(A) = \frac{n(A)}{V} \)

Premenné vo vzorci:

• \( c(A) \) – koncentrácia látkového množstva látky \( A \), jednotka mol/dm³.
• \( n(A) \) – látkové množstvo látky \( A \) v moloch (mol).
• \( V \) – objem roztoku v dm³.

Výpočet látkového množstva (ak je zadaná hmotnosť):

\( n(A) = \frac{m(A)}{M(A)} \)

• \( m(A) \) – hmotnosť látky \( A \) v gramoch (g).
• \( M(A) \) – molárna hmotnosť látky \( A \) v g/mol.

Postup výpočtu koncentrácie roztoku:

1. Ak je zadaná hmotnosť látky, vypočítajte látkové množstvo (n):
   \( n = \frac{m}{M} \)
2. Preveďte objem roztoku na dm³:
   \( 1 \, dm³ = 1 \, liter \), ak je objem zadaný v cm³, ml, preveďte ho na dm³.
3. Vypočítajte koncentráciu (c):
   \( c = \frac{n}{V} \)

Príklad: Výpočet koncentrácie roztoku hydroxidu sodného

Zadanie: Vypočítajte koncentráciu roztoku, ktorý vznikol rozpustením 4 g NaOH v 200 cm³ vody.

Čo poznáme?

• Hmotnosť NaOH: 4 g
• Objem roztoku: 200 cm³
• Relatívna atómová hmotnosť sodíka: 22,99
• Relatívna atómová hmotnosť kyslíka: 16,00
• Relatívna atómová hmotnosť vodíka: 1,01
• Vzorec NaOH

Najprv vypočítame molárnu hmotnosť NaOH:

\( M(\text{NaOH}) = 22{,}99 + 16{,}00 + 1{,}01 = 40 \text{ g/mol} \)

Teraz vypočítame látkové množstvo a zároveň prevedieme objem na dm³:

\( \begin{aligned} n(\text{NaOH}) &= \frac{4}{40} = 0{,}1 \text{ mol}, \quad V = 200 \text{ cm}^3 = 0{,}2 \text{ dm}^3 \end{aligned} \)

Vypočítame koncentráciu:

\( c(\text{NaOH}) = \frac{0{,}1}{0{,}2} = 0{,}5 \text{ mol/dm}^3 \)

Odpoveď: Koncentrácia roztoku NaOH je 0,5 mol/dm³.

Hmotnostný zlomok a percento link

Hmotnostný zlomok \( (w) \) je definovaný ako podiel hmotnosti rozpustenej látky \( m(B) \) a hmotnosti roztoku \( m \):

\( w = \frac{m(B)}{m} \)

Premenné vo vzorci:

• \( w \) alebo \( w(B) \) – hmotnostný zlomok rozpustenej látky \( B \). Bezrozmerná veličina.
• \( m(B) \) – hmotnosť rozpustenej látky \( B \) (v gramoch – g).
• \( m \) – hmotnosť celého roztoku (v gramoch – g), pričom:

\( m = m(B) + m_{\text{rozpúšťadla}} \)

Hmotnostný zlomok možno vyjadriť aj v percentách. Vynásobením hmotnostného zlomku \( w \) stomi získame hmotnostné percento látky:

\( W(B) = w(B) \times 100\% \)

Zmiešavacia rovnica link

Na výpočet koncentrácie alebo hmotnostného zlomku zložky roztoku vo výslednom roztoku, ktorý vznikol zmiešaním dvoch roztokov (zrieďovanie a zahusťovanie), sa používa zmiešavacia rovnica.

Tvary zmiešavacej rovnice:

1. Pre výpočet s objemami, hustotami a hmotnostnými zlomkami:

\( V_1 \rho_1 w_1 + V_2 \rho_2 w_2 = V \rho w \)

2. Pre výpočet s objemami a koncentráciami látkového množstva:

\( c_1 V_1 + c_2 V_2 = c V \)

Premenné vo vzorcoch:

• \( V_1, V_2, V \) – objemy roztokov.
• \( \rho_1, \rho_2, \rho \) – hustoty roztokov.
• \( w_1, w_2, w \) – hmotnostné zlomky roztokov.
• \( c_1, c_2, c \) – koncentrácie látkového množstva roztokov.

Výsledný objem roztoku nemusí byť vždy súčtom objemov zložiek.

Postup pri zrieďovaní roztoku:

• Používa sa rozpúšťadlo s \( w = 0 \).
• Použije sa zmiešavacia rovnica na výpočet potrebných objemov alebo hmotností roztokov.

Postup pri zahusťovaní roztoku:

• Pridáva sa rozpustená látka, ktorá sa považuje za roztok s \( w = 1 \).
• Použije sa zmiešavacia rovnica na výpočet potrebných hmotností alebo objemov roztokov.

Príklad: Výpočet koncentrácie výsledného roztoku

Zadanie: Zmiešame 200 ml roztoku NaCl s koncentráciou 0,5 mol/dm³ a 300 ml roztoku NaCl s koncentráciou 0,2 mol/dm³. Vypočítajte koncentráciu výsledného roztoku.

Čo poznáme?

• Objem prvého roztoku: V₁ = 200 ml = 0,2 dm³
• Koncentrácia prvého roztoku: c₁ = 0,5 mol/dm³
• Objem druhého roztoku: V₂ = 300 ml = 0,3 dm³
• Koncentrácia druhého roztoku: c₂ = 0,2 mol/dm³
• Celkový objem roztoku: \( V = V_1 + V_2 = 0{,}2 + 0{,}3 = 0{,}5 \text{ dm}^3 \)

Použijeme vzorec:

\( \begin{aligned} c_1 V_1 + c_2 V_2 &= c V \\ (0{,}5 \times 0{,}2) + (0{,}2 \times 0{,}3) &= c \times 0{,}5 \\ 0{,}1 + 0{,}06 &= c \times 0{,}5 \\ 0{,}16 &= c \times 0{,}5 \\ c &= \frac{0{,}16}{0{,}5} = 0{,}32 \text{ mol/dm}^3 \end{aligned} \)

Odpoveď: Koncentrácia výsledného roztoku je 0,32 mol/dm³.

Objemový zlomok link

Objemový zlomok \( (\varphi) \) vyjadruje podiel objemu rozpustenej látky a celkového objemu roztoku. Používa sa najmä pri roztokoch kvapalín v kvapalinách a v plynných zmesiach. Je definovaný vzťahom:

\( \varphi = \frac{V(B)}{V} \)

Premenné vo vzorci:

• \( \varphi \) alebo \( \varphi(B) \) – objemový zlomok rozpustenej látky \( B \). Bezrozmerná veličina.
• \( V(B) \) – objem rozpustenej látky \( B \) (v mililitroch alebo dm³).
• \( V \) – celkový objem roztoku (v rovnakých jednotkách ako \( V(B) \)), pričom:

\( V = V(B) + V_{\text{rozpúšťadla}} \)

Objemový zlomok možno vyjadriť aj v percentách. Vynásobením objemového zlomku \( \varphi \) číslom 100 získame objemové percento:

\( \Phi(B) = \varphi(B) \times 100\% \)

Objemové percento udáva, koľko objemových dielov rozpustenej látky pripadá na 100 dielov celkového objemu roztoku.

Pri použití objemového zlomku je dôležité, aby boli všetky objemy merané pri rovnakej teplote, pretože objem látok závisí od teploty.

Príklad: Výpočet objemu etanolu v alkoholickom nápoji

Zadanie: Alkoholický nápoj obsahuje 40,0 objemových % etanolu. Vypočítajte, aký objem čistého etanolu sa nachádza v 600 cm³ tohto nápoja.

Čo poznáme?

• Objemové percento etanolu: Φ = 40% = 0,40
• Celkový objem nápoja: V = 600 cm³

Použijeme vzorec:

\( V_{\text{etanolu}} = \varphi \cdot V = 0{,}40 \cdot 600 = 240 \, \text{cm}^3 \)

Odpoveď: Objem čistého etanolu v nápoji je 240 cm³.

Hustota roztokov a zmesí link

Hustota roztokov a zmesí \( (\rho) \) vyjadruje hmotnosť celého roztoku alebo zmesi vzťahovanú na jej objem. Na rozdiel od chemicky čistých látok, ktorých hustota je za daných podmienok konštantná, hustota roztoku závisí od jeho zloženia.

\( \rho = \frac{m}{V} \)

Premenné vo vzorci:

• \( \rho \) – hustota roztoku alebo zmesi (v jednotkách g/cm³ alebo g/dm³).
• \( m \) – celková hmotnosť roztoku alebo zmesi (v gramoch – g).
• \( V \) – objem roztoku alebo zmesi (v cm³ alebo dm³).

Hustota roztoku sa používa najmä pri výpočtoch koncentrácie, keď poznáme hmotnosť a potrebujeme určiť objem, alebo naopak. Zároveň umožňuje prechod medzi hmotnostnými a objemovými údajmi v roztokoch.

Medzi hustotou \( \rho \), hmotnostným zlomkom \( w \) a molárnou hmotnosťou \( M \) existuje priama súvislosť. Pre molárnu koncentráciu roztoku možno použiť nasledujúci vzťah:

\( c = \frac{w \cdot \rho}{M} \)

Pomocou hustoty a hmotnostného zlomku teda môžeme vypočítať látkovú koncentráciu roztoku, ak poznáme molárnu hmotnosť látky.

Hustota zmesi nie je aditívna – to znamená, že objem výsledného roztoku nemusí byť rovný súčtu objemov jednotlivých zložiek. Pri chemických výpočtoch sa preto vždy vychádza z meraného alebo zadaného objemu a hmotnosti konkrétneho roztoku.

Príklad: Výpočet hustoty roztoku

Zadanie: Pripravili sme roztok zmiešaním 15 g NaCl a 85 g vody. Objem výsledného roztoku je 96 cm³. Vypočítajte hustotu roztoku.

Čo poznáme?

• Hmotnosť rozpustenej látky: m₁ = 15 g
• Hmotnosť rozpúšťadla: m₂ = 85 g
• Celková hmotnosť roztoku: m = m₁ + m₂ = 15 + 85 = 100 g
• Objem roztoku: V = 96 cm³

Použijeme vzorec:

\( \rho = \frac{m}{V} = \frac{100}{96} \approx 1{,}042 \, \text{g/cm}^3 \)

Odpoveď: Hustota pripraveného roztoku je približne 1,042 g/cm³.