11.3 Leysni

Ímyndaðu þér að þú bætir litlu magni af sykri í vatnsglas, hrærir þar til allur sykurinn hefur leyst upp og bætir svo aðeins meiru við. Þetta ferli má endurtaka þar til styrkur sykurs í lausninni nær náttúrulegum mörkum sínum. Þessi mörk ráðast fyrst og fremst af hlutfallslegum styrk aðdráttarkrafta milli agna leysta efnisins, milli leysta efnisins og leysisins og milli agna leysisins, eins og fjallað var um í fyrri tveimur hlutum þessa kafla. Þú getur verið viss um að þessum mörkum sé náð því sama hversu lengi þú hrærir í lausninni verður alltaf eftir óleystur sykur. Styrkur sykurs í lausninni á þessum tímapunkti kallast leysni hennar.

Leysni leysts efnis í tilteknum leysi er mesti styrkur sem hægt er að ná við gefnar aðstæður þegar leysingarferlið er í jafnvægi.

Þegar styrkur leysts efnis er jafn leysni þess er lausnin sögð mettuð af því efni. Ef styrkur leysta efnisins er minni en leysni þess er lausnin sögð ómettuð. Lausn sem inniheldur tiltölulega lítinn styrk leysts efnis kallast þynnt, en lausn með tiltölulega mikinn styrk kallast þétt.

Útbúa má lausnir þar sem styrkur leysts efnis er meiri en leysni þess. Slíkar lausnir kallast ofmettaðar og eru áhugaverð dæmi um ástand utan jafnvægis; ítarlegri umfjöllun um þetta mikilvæga hugtak er að finna í köflum bókarinnar um jafnvægi. Sem dæmi má nefna kolsýrðan drykk í opnu íláti sem hefur enn ekki misst gosið; hann er ofmettaður af koldíoxíðgasi. Með tímanum minnkar styrkur CO₂ þar til hann nær leysni sinni.

Lausnir lofttegunda í vökvum

Eins og á við um allar lausnir hefur aðdráttur milli leysta efnisins og leysisins áhrif á leysni lofttegundar í vökva. Ólíkt leystum föstum efnum og vökvum þarf þó ekki að yfirvinna aðdráttarkrafta milli agna leysta efnisins þegar lofttegund leysist upp í fljótandi leysi (sjá mynd 11.4). Þetta stafar af því að atóm eða sameindir sem mynda lofttegund eru langt hvert frá öðru og verða fyrir óverulegum víxlverkunum. Þar af leiðandi eru víxlverkanir milli leysta efnisins og leysisins eini orkuþátturinn sem hefur áhrif á leysnina. Til dæmis er leysni súrefnis í vatni um það bil þrisvar sinnum meiri en leysni helíums, vegna sterkari London-dreifikrafta milli vatns og stærri súrefnissameinda, en 100 sinnum minni en leysni klóróforms, CHCl₃, vegna þess að skautaðar klóróformsameindir verða fyrir tvískauts-tvískautskröftum gagnvart skautuðum vatnssameindum. Taktu einnig eftir því að leysni súrefnis í hexani, C₆H₁₄, er um það bil 20 sinnum meiri en í vatni vegna sterkari London-dreifikrafta milli súrefnis og stærri hexansameinda.

Hitastig er annar þáttur sem hefur áhrif á leysni. Leysni lofttegunda minnkar venjulega þegar hitastig hækkar (mynd 11.8). Þetta öfuga samband milli hitastigs og styrks uppleystra lofttegunda veldur einum af helstu áhrifum varmamengunar í náttúrulegum vötnum.

Þegar hitastig ár, stöðuvatns eða lækjar hækkar minnkar leysni súrefnis í vatninu. Minna magn uppleysts súrefnis getur haft alvarlegar afleiðingar fyrir heilbrigði vatnavistkerfa og getur í alvarlegum tilfellum leitt til stórfellds fiskadauða (mynd 11.9).

Hlutþrýstingur leystu lofttegundarinnar í gasinu sem lausnin er í snertingu við hefur einnig áhrif á leysni hennar. Leysni gass eykst eftir því sem þrýstingur gassins eykst. Kolsýrðir drykkir sýna þetta samband vel. Kolsýring felst í því að drykkurinn er settur undir tiltölulega háan þrýsting koldíoxíðgass og ílátinu síðan lokað, þannig að drykkurinn mettast af CO₂ við þennan þrýsting. Þegar ílátið er opnað heyrist kunnuglegt hviss þegar þrýstingi koldíoxíðgassins er létt, og oft má sjá hluta uppleysta koldíoxíðsins yfirgefa lausnina sem litlar bólur (mynd 11.10). Á þessum tímapunkti er drykkurinn ofmettaður af koldíoxíði og með tímanum minnkar styrkur uppleysts koldíoxíðs niður í jafnvægisgildi sitt og drykkurinn verður flatur.

Fyrir margar leystar lofttegundir er sambandið milli leysni, C_g, og hlutþrýstings, P_g, beint hlutfall:

þar sem k er hlutfallsfasti sem ræðst af því hvaða gas er leyst, hvaða leysir er notaður og hitastigi lausnarinnar. Þetta er stærðfræðileg framsetning á lögmáli Henrys: Magn kjörgass sem leysist upp í tilteknu rúmmáli vökva er í réttu hlutfalli við þrýsting gassins.

Frávik frá lögmáli Henrys sjást þegar efnahvarf á sér stað milli leystu lofttegundarinnar og leysisins. Þannig eykst til dæmis leysni ammóníaks í vatni hraðar með auknum þrýstingi en lögmálið gerir ráð fyrir, því ammóníak, sem er basi, hvarfast að einhverju leyti við vatn og myndar ammóníumjónir og hýdroxíðjónir.

Lofttegundir geta myndað ofmettaðar lausnir. Ef lausn lofttegundar í vökva er útbúin annaðhvort við lágt hitastig eða undir þrýstingi, eða hvort tveggja, getur hún orðið ofmettuð þegar hún hitnar eða þegar þrýstingurinn minnkar. Árið 1986 létust meira en 1.700 manns í Kamerún þegar gasský, sem var næstum örugglega koldíoxíð, vall upp úr Nyos-vatni (mynd 11.12), djúpu stöðuvatni í eldgíg. Vatnið á botni Nyos-vatns er mettað af koldíoxíði vegna eldvirkni undir vatninu. Talið er að vatnið hafi umturnast vegna hægfara hitunar að neðan, þannig að hlýrra og eðlisléttara vatn, mettað af koldíoxíði, hafi náð upp á yfirborðið. Þar af leiðandi losnaði gríðarlegt magn af uppleystu CO₂. Litlausa gasið, sem er eðlisþyngra en loft, flæddi niður dalinn neðan við vatnið og kæfði fólk og dýr sem þar lifðu.

Lausnir vökva í vökvum

Sumum vökvum má blanda saman í hvaða hlutföllum sem er til að mynda lausnir. Með öðrum orðum hafa þeir óendanlega gagnkvæma leysni og kallast blandanlegir. Etanól, brennisteinssýra og etýlenglýkól, sem er algengt í frostlegi (mynd 11.13), eru dæmi um vökva sem eru fullkomlega blandanlegir við vatn. Tvígengisolía er blandanleg við bensín og blöndur þeirra eru notaðar sem smureldsneyti fyrir ýmsar gerðir vélknúinna útiverkfæra, svo sem keðjusagir og laufblásara.

Blandanlegir vökvar hafa að jafnaði mjög svipaða skautun. Lítum til dæmis á vökva sem eru skautaðir eða geta myndað vetnistengi. Fyrir slíka vökva eru tvískauts-tvískautskraftar (eða vetnistengi) milli sameinda leysta efnisins og sameinda leysisins að minnsta kosti jafn sterkir og þeir sem verka milli sameinda í hreina leysta efninu eða hreina leysinum. Því blandast þessar tvær gerðir sameinda greiðlega. Sömuleiðis eru óskautaðir vökvar blandanlegir hver við annan vegna þess að enginn teljandi munur er á styrk millisameindakrafta milli agna leysta efnisins, milli agna leysisins og milli leysta efnisins og leysisins. Leysni skautaðra sameinda í skautuðum leysum og óskautaðra sameinda í óskautuðum leysum er enn eitt dæmið um efnafræðilegu frumregluna „líkt leysir líkt“.

Tveir vökvar sem blandast ekki að neinu marki kallast óblandanlegir. Aðskilin lög myndast þegar óblandanlegum vökvum er hellt í sama ílát. Bensín, olía (mynd 11.14), bensen, koltetraklóríð, sum málning og margir aðrir óskautaðir vökvar eru óblandanlegir við vatn. Tiltölulega veikir aðdráttarkraftar milli skautuðu vatnssameindanna og óskautuðu vökvsameindanna duga ekki til að yfirvinna mun sterkari vetnistengi milli vatnssameindanna. Munurinn á óblandanleika og blandanleika er í reynd stigsmunur: blandanlegir vökvar hafa óendanlega gagnkvæma leysni, en vökvar sem sagðir eru óblandanlegir hafa mjög litla, þó ekki enga, gagnkvæma leysni.

Tveir vökvar, eins og bróm og vatn, sem hafa miðlungsmikla gagnkvæma leysni hvor í öðrum kallast að hluta til blandanlegir. Tveir vökvar sem eru að hluta til blandanlegir mynda venjulega tvö lög þegar þeim er blandað saman. Í blöndu af brómi og vatni er efra lagið vatn mettað af brómi, en neðra lagið er bróm mettað af vatni. Þar sem bróm er óskautað og því ekki mjög leysanlegt í vatni litast vatnslagið aðeins lítillega af skærappelsínugula bróminu sem leyst er upp í því. Þar sem leysni vatns í brómi er mjög lítil hefur það engin sjáanleg áhrif á dökkan lit brómlagsins (mynd 11.15).

Lausnir fastra efna í vökvum

Hitastigsháð leysni nokkurra fastra efna í vatni er sýnd með leysniferlunum á mynd 11.16. Gögnin sýna almenna tilhneigingu til aukinnar leysni með hækkandi hitastigi, þótt undantekningar séu til, eins og jónasambandið seríumsúlfat sýnir.

Nýta má hitastigsháða leysni til að útbúa ofmettaðar lausnir af tilteknum efnasamböndum. Lausn getur verið mettuð af efnasambandinu við hátt hitastig, þar sem leysta efnið er leysanlegra, og síðan kæld niður í lægra hitastig án þess að leysta efnið falli út. Lausnin sem þá fæst inniheldur leyst efni í meiri styrk en jafnvægisleysni þess við lægra hitastigið, það er, hún er ofmettuð, og er tiltölulega stöðug. Koma má af stað útfellingu á umframleysta efninu með því að bæta við sáðkristalli (sjá myndbandið í Tengli á námsefni fyrr í þessum hluta) eða með því að hrista lausnina vélrænt. Sumir handhitarar, eins og sá sem sést á mynd 11.17, nýta sér þessa hegðun.