11.2: Mchakato wa Uharibifu

Last updated
Save as PDF

Page ID: 188005

$ \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } $ $ \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} $$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$$\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}$

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

Eleza mali ya msingi ya ufumbuzi na jinsi wanavyounda
Kutabiri kama mchanganyiko uliopewa utazalisha suluhisho kulingana na mali ya Masi ya vipengele vyake
Eleza kwa nini baadhi ya ufumbuzi ama kuzalisha au kunyonya joto wakati wao fomu

Sura ya awali ya maandishi haya ilianzisha ufumbuzi, hufafanuliwa kama mchanganyiko wa homogeneous wa vitu viwili au zaidi. Mara nyingi, sehemu moja ya suluhisho iko kwenye mkusanyiko mkubwa zaidi, katika hali hiyo inaitwa kutengenezea. Vipengele vingine vya suluhisho vilivyopo katika viwango vidogo vinaitwa solutes. Sukari ni imara imara inayojumuisha molekuli ya sucrose, C ₁₂ H ₂₂ O ₁₁. Wakati kiwanja hiki kinapasuka ndani ya maji, molekuli zake zinagawanywa kwa usawa kati ya molekuli za maji:

C_{12} H_{22} O_{11} (s) ⟶ C_{12} H_{22} O_{11} (a q)

Subscript “aq” katika equation inaashiria kwamba molekuli sucrose ni solutes na kwa hiyo ni mmoja mmoja kutawanyika katika suluhisho la maji (maji ni kutengenezea). Ingawa molekuli za sucrose ni nzito kuliko molekuli za maji, zinabaki kutawanyika katika suluhisho; mvuto hauwafanya “kukaa nje” baada ya muda.

Potassium dichromate, K ₂ Cr ₂ O ₇, ni kiwanja ionic linajumuisha ions colorless potassium, K ⁺, na machungwa dichromate ions, $C r_{2} O_{7}^{2-} .$ Wakati maji aliongeza kiasi kidogo cha dichromate imara potassium, kiwanja dissolves na dissociates kutoa ions potassium na ions dichromate enhetligt kusambazwa katika mchanganyiko (Kielelezo 11.2), kama ilivyoonyeshwa katika equation hii:

K_{2} C r_{2} O_{7} (s) ⟶ 2 K^{+} (a q) + C r_{2} O_{7}^{2-} (a q)

Kama ilivyo na mchanganyiko wa sukari na maji, mchanganyiko huu pia ni suluhisho la maji. Solutes yake, ions ya potasiamu na dichromate, hubakia kila mmoja kutawanyika kati ya molekuli za kutengenezea (maji).

Picha ya kwanza inaonyesha kilima kidogo cha imara ya fuwele ya machungwa. Kuna mshale unaoelekea kulia. Picha ya pili inaonyesha kioevu kilicho na rangi isiyo na rangi katika chombo kilicho wazi. Kuna mshale unaoelekea kulia. Picha ya tatu inaonyesha kioevu cha machungwa cha machungwa katika chombo kilicho wazi, kilichofunikwa.

Kielelezo 11.2 Wakati dichromate ya potasiamu (K ₂ _{Cr 2} O ₇) imechanganywa na maji, hufanya suluhisho la machungwa la kawaida. (mikopo: mabadiliko ya kazi na Mark Ott)

Unganisha na Kujifunza

Ziara maabara hii virtual kuona uigaji wa kuvunjwa kwa kawaida covalent na ionic vitu (sukari na chumvi) katika maji.

Maji hutumiwa mara nyingi kama kutengenezea kwamba suluhisho la neno limekuja kuashiria suluhisho la maji kwa watu wengi. Hata hivyo, karibu gesi yoyote, kioevu, au imara inaweza kutenda kama kutengenezea. Aloi nyingi ni ufumbuzi imara wa chuma kimoja kilichopasuka kwa mwingine; kwa mfano, sarafu za Marekani tano za senti zina nikeli iliyoyeyushwa kwa shaba. Air ni suluhisho la gesi, mchanganyiko mzuri wa nitrojeni, oksijeni, na gesi nyingine kadhaa. Oksijeni (gesi), pombe (kioevu), na sukari (imara) zote hupasuka katika maji (kioevu) ili kuunda ufumbuzi wa kioevu. Jedwali 11.1 linatoa mifano ya ufumbuzi mbalimbali na awamu ya solutes na vimumunyisho.

Aina tofauti za Solutions

Suluhisho	mumunyifu	Kutengenezea
hewa	O ₂ (g)	N ₂ (g)
vinywaji baridi ¹	CO ₂ (g)	H ₂ O (l)
hidrojeni katika palladium	H ₂ (g)	pedi (s)
kusugua pombe	H ₂ O (l)	C ₃ H ₈ O (l) (2-propanol)
maji ya chumvi	NaCl (s)	H ₂ O (l)
shaba	Zn (s)	Cu (s)

Jedwali 11.1

Ufumbuzi unaonyesha sifa hizi za kufafanua:

Wao ni sawa; baada ya suluhisho ni mchanganyiko, ina muundo sawa katika pointi zote (muundo wake ni sare).
Hali ya kimwili ya suluhisho-imara, kioevu, au gesi-ni sawa na ile ya kutengenezea, kama ilivyoonyeshwa na mifano katika Jedwali 11.1.
Vipengele vya suluhisho vinatawanyika kwa kiwango cha Masi; vinajumuisha mchanganyiko wa chembe za solute zilizotengwa (molekuli, atomi, na/au ions) kila karibu kuzungukwa na aina za kutengenezea.
Solute iliyovunjwa katika suluhisho haiwezi kukaa nje au kutenganisha na kutengenezea.
Utungaji wa suluhisho, au viwango vya vipengele vyake, vinaweza kuwa tofauti kwa kuendelea (ndani ya mipaka iliyowekwa na umumunyifu wa vipengele, kujadiliwa kwa undani baadaye katika sura hii).

Uundaji wa Solutions

Kuundwa kwa suluhisho ni mfano wa mchakato wa hiari, mchakato unaofanyika chini ya hali maalum bila mahitaji ya nishati kutoka kwa chanzo cha nje. Wakati mwingine mchanganyiko huchochewa ili kuharakisha mchakato wa kufutwa, lakini hii sio lazima; suluhisho la homogeneous litaunda hatimaye. Mada ya upepo ni muhimu sana kwa utafiti wa thermodynamics ya kemikali na inatibiwa vizuri zaidi katika sura ya baadaye ya maandiko haya. Kwa madhumuni ya majadiliano ya sura hii, itatosha kuzingatia vigezo viwili vinavyopendeza, lakini hazihakikishi, malezi ya pekee ya suluhisho:

kupungua kwa nishati ya ndani ya mfumo (mabadiliko ya nje, kama ilivyojadiliwa katika sura ya awali juu ya thermochemistry)
kuongezeka kwa usambazaji wa suala katika mfumo (ambayo inaonyesha ongezeko la entropy ya mfumo, kama utakavyojifunza juu ya sura ya baadaye juu ya thermodynamics)

Katika mchakato wa kufutwa, mabadiliko ya nishati ya ndani mara nyingi, lakini si mara zote, hutokea kama joto linafyonzwa au limebadilika. Kuongezeka kwa usambazaji wa suala daima husababisha wakati suluhisho linaunda kutoka kwa usambazaji sare wa molekuli za solute katika kutengenezea.

Wakati nguvu za vikosi vya intermolecular ya mvuto kati ya aina ya solute na kutengenezea katika suluhisho sio tofauti na wale waliopo katika vipengele vilivyotengwa, suluhisho hutengenezwa bila mabadiliko ya nishati yanayoambatana. Suluhisho hilo linaitwa suluhisho bora. Mchanganyiko wa gesi bora (au gesi kama vile heliamu na argon, ambayo inakaribia kwa karibu tabia bora) ni mfano wa suluhisho bora, kwani vyombo vinavyojumuisha gesi hizi hazipatikani vivutio muhimu vya intermolecular.

Wakati vyombo vya heliamu na argon vimeunganishwa, gesi huchanganya kwa sababu ya kutenganishwa na kuunda suluhisho (Kielelezo 11.3). Kuundwa kwa suluhisho hili kunahusisha wazi ongezeko la kutawanyika kwa suala, kwani atomi za heliamu na argon zinachukua kiasi mara mbili kubwa kama kile ambacho kila mmoja ulichukua kabla ya kuchanganya.

Takwimu mbili zinaonyeshwa. Ya kwanza ina vyombo viwili vya spherical vilivyounganishwa na stopcock iliyofungwa. Chombo upande wa kushoto kinachoitwa H e Ina karibu thelathini sawasawa kutawanyika, ndogo, nyanja za bluu. Chombo upande wa kulia kinachoitwa A r na kina karibu thelathini kubwa ya bluu-kijani nyanja. Takwimu ya pili, sawa ina stopcock wazi kati ya vyombo viwili vya spherical. Sehemu ya bluu na kijani ni sawasawa kutawanyika na sasa katika vyombo vyote viwili.

Kielelezo 11.3 Sampuli za heliamu na argon huchanganya kwa urahisi ili kutoa suluhisho.

Ufumbuzi bora unaweza pia kuunda wakati maji ya kimuundo sawa yanachanganywa. Kwa mfano, mchanganyiko wa pombe methanol (CH ₃ OH) na ethanol (C ₂ H ₅ OH) huunda ufumbuzi bora, kama vile mchanganyiko wa pentane ya hidrokaboni, C ₅ H ₁₂, na hexane, C ₆ H ₁₄. Kuweka methanoli na ethanol, au pentane na hexane, katika balbu inavyoonekana katika Kielelezo 11.3 itasababisha utbredningen huo na baadae kuchanganya ya maji haya kama ni aliona kwa gesi Yeye na Ar (ingawa kwa kiwango cha polepole sana), kutoa ufumbuzi na hakuna mabadiliko makubwa katika nishati. Tofauti na mchanganyiko wa gesi, hata hivyo, vipengele vya ufumbuzi wa kioevu-kioevu hufanya, kwa kweli, uzoefu wa vikosi vya kuvutia vya intermolecular. Lakini kwa kuwa molekuli ya dutu mbili kuwa mchanganyiko ni kimuundo sawa sana, vikosi intermolecular kuvutia kati ya kama na tofauti molekuli kimsingi ni sawa, na mchakato wa kuvunjwa, kwa hiyo, haina kuhusisha ongezeko lolote la thamani au kupungua kwa nishati. Mifano hii inaonyesha jinsi kuongezeka kwa jambo kutawanyika peke yake kunaweza kutoa nguvu ya kuendesha gari inayohitajika ili kusababisha malezi ya hiari ya suluhisho. Katika baadhi ya matukio, hata hivyo, ukubwa wa jamaa wa vikosi vya intermolecular ya kivutio kati ya aina ya solute na kutengenezea inaweza kuzuia kuvunjwa.

Aina tatu za vikosi vya kuvutia vya intermolecular ni muhimu kwa mchakato wa kuvunjwa: solute-solute, kutengenezea, na kutengenezea solvent. Kama inavyoonekana katika Kielelezo 11.4, malezi ya suluhisho inaweza kutazamwa kama mchakato wa hatua kwa hatua ambayo nishati hutumiwa kuondokana na vivutio vya soluti-solute na kutengenezea (taratibu endothermic) na kutolewa wakati vivutio vya soluti-kutengenezea vimeanzishwa (mchakato wa exothermic unaojulikana kama solvation). Ukubwa wa jamaa wa mabadiliko ya nishati yanayohusiana na michakato hii ya hatua kwa hatua huamua kama mchakato wa kuvunjwa kwa ujumla utatoa au kunyonya nishati. Katika baadhi ya matukio, ufumbuzi haufanyi kwa sababu nishati inayotakiwa kutenganisha aina ya solute na kutengenezea ni kubwa zaidi kuliko nishati iliyotolewa na solvation.

Kanda ya juu, ya kati ya takwimu inaonyesha chembe za solute kama nyanja saba za bluu na chembe za kutengenezea kama nyanja 16 nyekundu katika masanduku tofauti, yaliyoandikwa. Chembe katika masanduku haya zinagusa. Mshale ulioitwa “Hatua ya 1" unasema kushoto wa sanduku la solute, na inaonyesha nyanja za bluu hazigusa tena kwenye sanduku lingine lililoitwa “solute iliyopanuliwa.” Mshale ulioitwa “Hatua ya 2” anasema moja kwa moja kutoka sanduku la kutengenezea na inaonyesha nyanja nyekundu hazigusa tena kwenye sanduku lingine lililoitwa “kutengenezea kupanuliwa.” Mishale kuendelea kutoka chini ya kupanua solute na kupanua masanduku kutengenezea na kujiunga chini ya takwimu ambapo hatua 3 studio inavyoonekana. Mishale iliyounganishwa inaelezea sanduku hapo juu ambayo nyanja nyekundu na bluu zinachanganywa pamoja na kugusa. Masanduku ya solute na kutengenezea yanajiunga na mshale mwingine ulioitwa “malezi ya moja kwa moja ya suluhisho” ambayo inaelezea chini katikati ya takwimu. Mshale huu pia unaonyesha sanduku iliyo na mchanganyiko wa rangi nyekundu na bluu karibu na chini ya takwimu.

Kielelezo 11.4 Uwakilishi huu wa schematic wa kuvunjwa unaonyesha mchakato wa hatua kwa hatua unaohusisha kutenganishwa kwa mwisho wa aina za solute na kutengenezea (Hatua ya 1 na 2) na ufumbuzi wa nje (Hatua ya 3).

Fikiria mfano wa kiwanja cha ionic kinachopasuka katika maji. Uundaji wa suluhisho huhitaji vikosi vya umeme kati ya cations na anioni za kiwanja (solute-solute) zishindwe kabisa kama vikosi vya kuvutia vinaanzishwa kati ya ioni hizi na molekuli za maji (solute-solvent). Kuunganishwa kwa hidrojeni kati ya sehemu ndogo ya molekuli za maji lazima pia kushinda ili kubeba solute yoyote iliyovunjwa. Ikiwa vikosi vya umeme vya solute ni kubwa zaidi kuliko vikosi vya ufumbuzi, mchakato wa kuvunjwa ni mkubwa sana na kiwanja hawezi kufuta kwa kiwango cha thamani. Calcium carbonate, sehemu kubwa ya miamba ya matumbawe, ni mfano mmoja wa kiwanja hicho cha “ionic” cha ionic (angalia Mchoro 11.1). Kwa upande mwingine, ikiwa vikosi vya solvation vina nguvu zaidi kuliko vikosi vya umeme vya kiwanja, uharibifu ni mkubwa sana na kiwanja kinaweza kuwa na umumunyifu sana. mfano wa kawaida wa aina hii ya kiwanja ionic ni hidroksidi ya sodiamu, inayojulikana kama lye.

Kama ilivyoelezwa mwanzoni mwa moduli hii, malezi ya ufumbuzi wa hiari yanapendekezwa, lakini haihakikishiwa, na michakato ya kuvunjwa kwa exothermic. Wakati misombo mingi ya mumunyifu hufanya, kwa kweli, kufuta na kutolewa kwa joto, baadhi kufuta endothermically. Nitrati ya amonia (NH ₄ NO ₃) ni mfano mmoja na hutumiwa kufanya pakiti za baridi za papo hapo, kama ile iliyoonyeshwa kwenye Mchoro 11.5, ambayo hutumiwa kutibu majeraha. Mfuko wa plastiki mwembamba wa maji umefungwa ndani ya mfuko mkubwa na NH ₄ NO ₃ imara. Wakati mfuko mdogo umevunjika, suluhisho la aina ya NH ₄ NO ₃, kunyonya joto kutoka kwa mazingira (eneo la kujeruhiwa ambalo pakiti hutumiwa) na kutoa compress baridi ambayo inapungua uvimbe. Uharibifu wa endothermic kama vile hii huhitaji pembejeo kubwa ya nishati ili kutenganisha aina za solute kuliko zinalipwa wakati solvated solvated, lakini ni hiari hata hivyo kutokana na ongezeko la ugonjwa unaoambatana na malezi ya suluhisho.

Takwimu hii inaonyesha moja matumizi papo baridi pakiti na maandiko kuonyesha mfuko wa ndani wa maji kuzungukwa na chembechembe nyeupe amonia nitrati.

Kielelezo 11.5 Pakiti ya baridi ya papo hapo inapata baridi wakati chumvi fulani, kama vile nitrati ya amonia, kufuta katika maji-mchakato wa mwisho.

Unganisha na Kujifunza

Tazama video hii fupi inayoonyesha michakato ya uharibifu wa endothermic na exothermic.

maelezo ya chini

1 Ikiwa Bubbles za gesi zinazingatiwa ndani ya kioevu, mchanganyiko sio sawa na, kwa hiyo, sio suluhisho.