11.1 Upplausnarferlið

Í fyrri kafla þessarar bókar var fjallað um lausnir, sem eru skilgreindar sem einsleitar blöndur tveggja eða fleiri efna. Oft er einn hluti lausnar til staðar í mun meiri styrk og kallast hann þá leysir. Hin efnin í lausninni, sem eru í minni styrk, kallast leyst efni. Sykur er samgilt fast efni sem er gert úr súkrósasameindum, C₁₂H₂₂O₁₁. Þegar þetta efnasamband leysist upp í vatni dreifast sameindir þess jafnt á milli vatnssameindanna:

Lágvísirinn „aq“ í jöfnunni táknar að súkrósasameindirnar eru leyst efni og dreifast því hver og ein um vatnslausnina (vatnið er leysirinn). Þótt súkrósasameindir séu þyngri en vatnssameindir haldast þær dreifðar um lausnina; þyngdaraflið veldur því ekki að þær „setjist til botns“ með tímanum.

Kalíumdíkrómat, K₂Cr₂O₇, er jónasamband sem samanstendur af litlausum kalíumjónum, K⁺, og appelsínugulum díkrómatjónum, Cr₂O₇²⁻. Þegar litlu magni af föstu kalíumdíkrómati er bætt út í vatn leysist efnið upp og sundrast þannig að kalíumjónir og díkrómatjónir dreifast jafnt um blönduna (mynd 11.2), eins og þessi jafna sýnir:

Líkt og blandan af sykri og vatni er þessi blanda einnig vatnslausn. Leystu efnin, kalíum- og díkrómatjónirnar, haldast stakar og dreifðar á milli sameinda leysisins (vatnsins).

Vatn er svo oft notað sem leysir að orðið lausn merkir í hugum margra vatnslausn. Hins vegar getur nánast hvaða gas, vökvi eða fasta efni sem er gegnt hlutverki leysis. Margar málmblöndur eru fastar lausnir þar sem einn málmur er leystur upp í öðrum. Til dæmis innihalda bandarískar fimm senta myntir nikkel sem er leyst upp í kopari. Loft er gaslausn, einsleit blanda af köfnunarefni, súrefni og nokkrum öðrum lofttegundum. Súrefni (gas), alkóhól (vökvi) og sykur (fast efni) leysast öll upp í vatni (vökva) og mynda fljótandi lausnir. Tafla 11.1 sýnir dæmi um nokkrar mismunandi lausnir og fasa leystu efnanna og leysanna.

Lausnir hafa eftirfarandi einkenni:

• Þær eru einsleitar; eftir að lausn hefur verið blönduð er samsetning hennar sú sama alls staðar (samsetningin er jöfn).
• Fasi lausnar — fast efni, vökvi eða gas — er venjulega sá sami og fasi leysisins, eins og sýnt er með dæmunum í töflu 11.1.
• Innihaldsefni lausnar dreifast á sameindavísu. Þau samanstanda af blöndu aðskilinna agna leysta efnisins (sameinda, atóma og/eða jóna) sem hver um sig er umkringd eindum leysisins.
• Leysta efnið í lausn sest hvorki til botns né skilur sig frá leysinum.
• Samsetningu lausnar, eða styrk innihaldsefna hennar, er hægt að breyta samfellt (innan marka sem ákvarðast af leysni efnanna, sem rædd er nánar síðar í þessum kafla).

Myndun lausna

Myndun lausnar er dæmi um sjálfkrafa ferli, það er ferli sem á sér stað við tiltekin skilyrði án þess að orka þurfi að berast frá ytri gjafa. Stundum er hrært í blöndu til að flýta fyrir leysingu, en það er ekki nauðsynlegt; einsleit lausn myndast að lokum. Sjálfkrafa ferli eru afar mikilvæg í efnavarmafræði og er fjallað nánar um þau í síðari kafla þessarar bókar. Fyrir umfjöllun þessa kafla nægir að líta á tvö viðmið sem stuðla að, en tryggja þó ekki, sjálfkrafa myndun lausnar:

1. minnkun á innri orku kerfisins (útvermin breyting, eins og fjallað var um í fyrri kafla um varmaefnafræði)
2. aukin dreifing efnis í kerfinu (sem gefur til kynna aukningu á óreiðu kerfisins, eins og þú munt læra um í síðari kafla um varmafræði)

Í leysingarferlinu verður oft, en þó ekki alltaf, breyting á innri orku þegar varmi er tekinn upp eða losaður. Dreifing efnis eykst alltaf þegar lausn myndast við jafna dreifingu sameinda leysta efnisins um leysinn.

Þegar styrkur aðdráttarkrafta milli agna leysta efnisins og leysisins í lausn er sá sami og í aðskildum efnum, myndast lausnin án þess að orkubreyting fylgi. Slík lausn kallast kjörlausn. Blanda kjörgastegunda, eða lofttegunda eins og helíums og argons sem nálgast mjög kjörgashegðun, er dæmi um kjörlausn, þar sem eindirnar í þessum lofttegundum verða ekki fyrir verulegum millisameindakröftum.

Þegar ílát með helíumi og argoni eru tengd saman blandast lofttegundirnar sjálfkrafa vegna sveims og mynda lausn (mynd 11.3). Myndun þessarar lausnar felur greinilega í sér aukna dreifingu efnis, þar sem helíum- og argonatómin taka nú tvöfalt stærra rúmmál en hvort gas um sig tók fyrir blöndun.

Kjörlausnir geta einnig myndast þegar vökvum með svipaða byggingu er blandað saman. Til dæmis mynda blöndur af alkóhólunum metanóli (CH₃OH) og etanóli (C₂H₅OH) kjörlausnir, rétt eins og blöndur af kolvetnunum pentani, C₅H₁₂, og hexani, C₆H₁₄. Ef metanól og etanól, eða pentan og hexan, eru sett í kúlurnar sem sýndar eru á mynd 11.3, leiðir það til sama sveims og sömu blöndunar þessara vökva og sést hjá He- og Ar-gösunum, þótt það gerist mun hægar. Þá myndast lausnir án verulegrar orkubreytingar. Ólíkt gasblöndum verða efnisþættir þessara vökva-vökvalausna þó fyrir millisameindakröftum. Þar sem sameindir efnanna tveggja sem blandað er saman eru mjög svipaðar að byggingu eru millisameindakraftarnir milli líkra og ólíkra sameinda nánast þeir sömu. Leysingarferlið hefur því ekki í för með sér neina teljandi aukningu eða minnkun á orku. Þessi dæmi sýna hvernig aukin dreifing efnis getur ein og sér verið sá drifkraftur sem þarf til að lausn myndist sjálfkrafa. Í sumum tilfellum getur þó hlutfallslegur styrkur aðdráttarkrafta milli leysta efnisins og leysisins komið í veg fyrir leysingu.

Þrjár gerðir millisameindakrafta skipta máli í leysingarferlinu: kraftar milli agna leysta efnisins, kraftar milli agna leysisins og kraftar milli leysta efnisins og leysisins. Eins og sýnt er á mynd 11.4 má líta á myndun lausnar sem þrepaskipt ferli þar sem orka fer í að yfirvinna aðdráttarkrafta milli agna leysta efnisins og milli agna leysisins (innvermin ferli). Orka losnar síðan þegar aðdráttarkraftar myndast milli leysta efnisins og leysisins (útvermið ferli sem kallast leysihjúpun). Hlutfallsleg stærð orkubreytinganna sem fylgja þessum þrepaskiptu ferlum ræður því hvort leysingarferlið í heild losar eða tekur upp orku. Í sumum tilfellum myndast lausnir ekki vegna þess að orkan sem þarf til að aðskilja leysta efnið og leysinn er mun meiri en orkan sem losnar við leysihjúpun.

Skoðum dæmi um jónasamband sem leysist upp í vatni. Til að lausnin myndist þarf að yfirvinna rafstöðukraftana milli katjóna og anjóna efnasambandsins (milli agna leysta efnisins) að fullu um leið og aðdráttarkraftar myndast milli þessara jóna og vatnssameinda (milli leysta efnisins og leysisins). Einnig þarf að rjúfa vetnistengi milli tiltölulega lítils hluta vatnssameindanna til að rýma fyrir leysta efninu. Ef rafstöðukraftar leysta efnisins eru talsvert sterkari en leysihjúpunarkraftarnir, er leysingarferlið verulega innvermið og efnasambandið leysist ef til vill ekki upp að neinu ráði. Kalsíumkarbónat, sem er uppistaðan í kóralrifjum, er dæmi um slíkt „óleysanlegt“ jónasamband (sjá mynd 11.1). Ef leysihjúpunarkraftarnir eru hins vegar mun sterkari en rafstöðukraftar efnasambandsins, er leysingin verulega útvermin og efnasambandið getur verið mjög leysanlegt. Algengt dæmi um slíkt jónasamband er natríumhýdroxíð, sem oftast er kallað vítissódi.

Eins og fram kom í upphafi þessa hluta, stuðla útvermin leysingarferli að sjálfkrafa myndun lausnar, þótt þau tryggi hana ekki. Þó að mörg leysanleg efnasambönd leysist vissulega upp með varmalosun, leysast sum upp á innverminn hátt. Ammóníumnítrat (NH₄NO₃) er dæmi um slíkt og er notað í einnota kælipoka, líkt og þann sem sést á mynd 11.5 og er notaður til að meðhöndla meiðsli. Þunnveggjaður plastpoki með vatni er innsiglaður inni í stærri poka með föstu NH₄NO₃. Þegar minni pokinn er brotinn myndast NH₄NO₃-lausn sem dregur í sig varma frá umhverfinu, þ.e. meidda svæðinu sem pokinn er lagður á, og virkar sem kæliumbúðir sem draga úr bólgu. Innvermin leysingarferli sem þessi krefjast meiri orku til að aðskilja agnir leysta efnisins en fæst til baka þegar þær leysihjúpast. Þau eru engu að síður sjálfkrafa vegna aukinnar óreiðu sem fylgir myndun lausnarinnar.