4. Lahused

Selle peatüki läbimise järel oskad analüüsida erinevaid lahuseid ning eristada lahuseid pihussüsteemidest. Samuti tegeled mitmete arvutusülesannetega, mis käsitlevad lahuse protsendilist koostist, tiheduse arvestamist arvutamisel ning tutvud lahustuvgraafikute ja sealt leitava informatsiooniga.

4.1. Lahused ja pihused

Igapäevaelus kasutame endale teadvustamata väga palju segusid, kus üks aine on teises jaotunud. Mõned sellised segud on püsivad, kuid teised jagunevad ehk kihistuvad seismisel. Näiteks läheb piim tükki, kui see jätta kauaks toatemperatuurile või kakaopulber sadeneb tassi põhja, kui kakaod mitte segada, samas kui siirupist valmistatud morsi klaasis või söögiäädika pudeli põhjas sadet ei teki. Kuidas otsustada, kas nende näidete puhul on tegemist lahusega või pihussüsteemiga, saad teada järgnevast videost.

Allikas: https://youtu.be/6EXOVLn_50E

Lahus

Lahus on ühtlane segu, mis koosneb lahustist ja lahustunud ainest. Lahuses ei suuda me palja silmaga eristada eri aineosakesi, kuna need on niivõrd väikesed ja omavahel ühtlaselt jaotunud. Näiteks lauasoola lisamisel vette ümbritsevad vee molekulid soolas olevad ioonid ning need ioonid jaotuvad ühtlaselt kogu lahuses. Kuna kõik aineosakesed on nii väikesed, et palja silmaga me neid ei näe, siis sellest tulenevalt näibki see segu meile selge ja ühtlane.

Aine, milles teine aine ühtlaselt jaguneb, on lahusti. Enamasti on lahustiks vedelikud ja meile kõige tuntum lahusti on vesi, kuid lahustina kasutatakse ka bensiini, etanooli ja paljusid teisi vedelikke. Aine, mis teises aines jaguneb, on lahustunud aine. Lahustunud aine võib olla nii vedel (äädikhape, etanool), tahke (lauasool, suhkur) kui ka gaasiline (süsihappegaas, ammoniaak).

Pihussüsteem

Kui me puistame vette aga liiva, siis ei tundu see segu meile üldse selge ja ühtlane. Nüüd oleme saanud hoopis pihuse ehk pihussüsteemi. Pihussüsteem on ebaühtlane segu, mis koosneb pihustuskeskkonnast ja vähemalt ühest pihustunud ainest. Toodud näite korral on pihustuskeskkonnaks vesi ning pihustunud aineks liiv. Mida me veel võime liiva ja vee segu puhul märgata, on see, et pihus on ebapüsiv ehk aja möödudes settib liiv keeduklaasi põhja, seega pihus laguneb. Soolvesi, mis on lahus, seda aga ei tee. Seega üks pihuse ja lahuse suur erinevus on püsivus: lahused on püsivad, pihused aga ebapüsivad.

Ülesanne 2

Otsusta, kas tegu on lahuse või pihusega.

Pihuseid liigitatakse osakeste mõõtmete alusel jämepihusteks ja peenpihusteks ehk kolloidlahusteks. Jämepihuste korral on osakeste mõõtmed suuremad kui 100 nm. Siinkohal on hea võtta võrdluseks inimese juuksekarva läbimõõt, mis on umbes 100 mikromeetrit ehk 100 000 nm, seega jämepihustes on osakesed umbes tuhat korda väiksemate mõõtmetega kui juuksekarva paksus. Kolloidlahustes on osakesed aga veelgi väiksemad. Kolloidlahustes on osakeste läbimõõt 1 … 100 nm ehk kuni 100 000 korda väiksem, võrreldes juuksekarva paksusega. Kuna jämepihustes on osakeste mõõtmed suuremad, siis neid on võimalik näha, kuid kolloidlahuste korral on osakeste mõõtmed niivõrd väikesed, et on lihtne ajada omavahel sassi tõelist lahust ja kolloidlahust. Siinkohal tuleb appi valgus: kui suunata pimedas ruumis näiteks taskulambi valgus uuritavale segule ja me näeme seal valguskiirte vihku, siis saame öelda, et tegemist on kolloidlahusega, sest sealsed osakesed mõjutavad valguse liikumist. Sellist efekti nimetatakse Iiri teadlase John Tyndalli järgi Tyndalli efektiks ja sellega oled Sa ilmselt ka oma igapäevaelus kokku puutunud. Näiteks udu korral autoga sõites muutub autotulede valgus nähtavaks tänu veepiiskadele, mis valguse suunda mõjutama hakkavad. Veel esineb Tyndalli efekt näiteks päikeselise ilma korral metsas, kus päikesekiired on näha õhus olevate tolmuosakeste tõttu.

Tyndalli efekt: vasakul on toodud kolloidlahus, paremal tõeline lahus.

Kolloidlahuste hulka kuuluvad päris paljud meile igapäevaelus tuntud vedelikud, näiteks veri, mitmed ravimid ja värvid, aga ka taimemahlad. Kolloidlahused on püsivamad kui jämepihused ning seismisel niivõrd lihtsalt ei jagune. Samas võivad kolloidlahused kaotada oma voolavuse ning siis tekib tarre ehk geel. Igapäevaelust võiksid sa teada selliseid tardeid nagu sült või tarretis, samuti marmelaad ning juust.

Liigitamine

Jämepihuseid liigitatakse järgmiselt, lähtudes pihustunud aine ja pihustuskeskkonna olekutest:

  • Suspensioon on jämepihus, mis moodustub tahke lahustumatu aine pihustumisel vedelikus. Suspensioonid igapäevaelus on näiteks kakao, kohv, mudane vesi, hambapasta, värvid.
  • Emulsioon on pihussüsteem, mis tekib lahustumatu vedeliku pihustumisel teises vedelikus (pihustunud aineks vedelik, pihustuskeskkonnaks vedelik). Emulsioonid on tihti väga ebapüsivad ja nende püsivuse parandamiseks lisatakse neisse emulgaatoreid. Emulsioonid igapäevaelus on piim, majonees, erinevad kreemid jne. Näiteks selleks, et piimas olev rasv ja vesi, mis üksteises ei lahustu, püsiksid rohkem aega koos, leidub piimas erinevaid piimavalke, mis käituvad emulgaatoritena. Samas ei suuda emulgaatorid teha oma tööd lõputult kaua ja kui Sa peaksid unustama piimapaki kauemaks toatemperatuurile, kihistuvad vesi ja rasv.
  • Aerosool on pihussüsteem, kus pihustuskeskkonnaks on gaasiline aine. Pihustunud aine võib olla nii tahke, näiteks aerosoolvärvide või tolmu korral, kui ka vedel, näiteks deodorantide ja udu korral.
  • Vaht on pihussüsteem, kus pihustunud aine on gaasiline. Pihustuskeskkonnaks võib olla vahu korral nii vedel aine, näiteks vahukoor, mannavaht või seebivaht, kui ka tahke aine, näiteks pimsskivi või vahtplast.

Ülesanne 4

Vali õige pihustuskeskkond ja pihustunud aine.

Lühidalt võtab pihussüsteemide liigituse kokku alljärgnev tabel:

Pihussüsteem

Pihustuskeskkond

Pihustunud aine

Suspensioon

Vedelik

Tahke aine

Emulsioon

Vedelik

Lahustumatu vedelik

Aerosool Gaas

Vedelik


Tahke aine

Vaht

Tahke aine


Vedelik

Gaas

Ülesanne 5

Kui segada kokku:

4.2. Lahuse koostise arvutused

Alati ei saa keemias valmistada lahuseid kaalumise teel. Kuna suur osa lahusest on lahusti, mis tavapäraselt on vedelik, siis on seda otstarbekam mõõta mõõtesilindriga. Kuid kui tahta valmistada kindla massiprotsendiga lahust, on vajalik ruumala pealt üle minna massile – siin tulebki appi tihedus.

Allikas: https://youtu.be/ZAyQWKmeo6Y

Enne selle teema läbimist tuleta endale meelde, et

Massiprotsenti tohib võtta ainult lahuse ja tema komponentide massidest.

Lahuse massiprotsent (p) näitab, kui suure osa kogu lahuse massist moodustab lahustunud aine mass

m(lahus) – 100%

m(aine)  – p;

$p=\frac{m(aine)}{m(l\mspace{0mu}ahus)}\times 100\%$

Lahus koosneb lahustist ja lahustunud ainest, seega

$m(lahus)=m(lahusti)+m(lahustunud\ aine)$

Kindlasti jäta meelde, et massiprotsenti tohib võtta ainult lahuse ja tema komponentide massidest.

videoKorda videost üle, kuidas arvutada lahuse protsendilist koostist.

  • Tihedus näitab ühikulise ruumalaga ainekoguse massi ning tema valem on $\mathbf{}\rho=\frac{m}{V}$, kus ρ tähistab tihedust, m massi ning V ruumala.
  • Tiheduse enim kasutatavaks ühikuks koolikeemias on g/cm3, massi ühikuks on g ning ruumala ühikuks cm3.
videoKorda videost üle, kuidas lahendada tihedusega seotud arvutusülesandeid.

Arvutusülesannete lihtsamaks lahendamiseks võid tegutsemisjuhiseks võtta järgnevad sammud:

  1. Loe ülesande tekst mõttega läbi.
  2. Jooni tekstis alla kõik arvud.
  3. Omista arvule kindel füüsikaline suurus. Seda on lihtne teha näiteks ühiku alusel.
  4. Kirjuta välja andmed ning otsitav suurus.
  5. Kirjuta välja valemid või seosed ning kui vaja, avalda otsitav suurus.
  6. Asenda valemitesse või seostesse arvud ning teosta arvutused.
  7. Ole valmis, et mõnikord tuleb ühikuid teisendada.

Teeme koos läbi kolm erinevat ülesannet.

Näidisülesanne 1. Lahuse protsendilise koostise arvutamine

1. Loe ülesande tekst mõttega läbi. Arvuta väävelhappe protsendiline sisaldus lahuses, kui 200 cm3 lahust (ρ = 1,329 g/cm3) sisaldab 51,6 grammi väävelhapet.
2. Jooni alla kõik arvud, mis on tekstis. Arvuta väävelhappe protsendiline sisaldus lahuses, kui 200 cm3 lahust (ρ = 1,329 g/cm3) sisaldab 51,6 grammi väävelhapet.
3. Omista arvule kindel füüsikaline suurus. 200 cm3 on lahuse ruumala, 1,329 g/cm3 on lahuse tihedus ning 51,6 g on aine mass.
4. Kirjuta välja andmed.

V(lahus) = 200 cm3

ρ(lahus) = 1,329 g/cm3

m(aine) = 51,6 g

p = ?

5. Kirjuta välja seosed ja valemid.

m(lahus) – 100%

m(aine) – p

$\rho=\frac{m}{V}$

Kuna antud ülesande puhul on m (aine) teada, kuid m (lahus) pole teada, saame viimase leida lahuse tihedust ja ruumala kasutades. Selleks avaldame tiheduse põhivalemist massi: $m=\rho \times V$

6. Asenda arvud ja teosta arvutused.

Kõigepealt leiame kogu lahuse massi:

$m=\rho \times V=1,329\  g/cm^{3}\times 200\  cm^{3}=265,8\  g$

Seejärel saame leida juba lahuse massiprotsendi:

m(lahus) – 100%

m(aine)   – p

265,8 g – 100%

51,6 g    – p

$p=\frac{51,6\ g\times 100\%}{265,8\ g}\approx 19\%$

Järgnevalt on toodud ülesannete lahendused alates punktist 4.

Näidisülesanne 2. Lahustunud aine massi arvutamine lahuses

Ülesanne: Kui palju on 500 cm3 20% lahuses soola, kui lahuse tihedus on 1,43 g/cm3?
Andmed:

V(lahus) = 500 cm3

p = 20%

ρ(lahus) = 1,43 g/cm3

m(aine) = ?

Seosed ja valemid:

m(lahus) – 100%

m(aine)   – p

$\rho=\frac{m}{V}$

Arvutused:

Kuna antud ülesande puhul pole teada ei aine ega lahuse massi, kuid on antud lahuse tihedus ja ruumala, saame leida lahuse massi. Selleks avaldame tiheduse põhivalemist massi: $m=\rho \times V$

Kõigepealt leiame kogu lahuse massi:

$m=\rho \times V=1,43\ g/cm^{3}\times 500\ cm^{3}=715\ g$

Seejärel saame leida juba lahustunud aine massi:

m(lahus) – 100%

m(aine) – p

715 g – 100%

m(aine)  – 20%

$m(aine)=\frac{715\ g\times 20\%}{100\%}=143\  g$

Näidisülesanne 3. Lahuse ruumala arvutamine

Ülesanne: 52,4 grammi naatriumhüdroksiidi lahustumisel vees saadi 16%-line lahus (ρ = 1,09 g/cm3). Arvuta lahuse ruumala.
Andmed:

m(aine) = 52,4 g

p = 16%

ρ(lahus) = 1,09 g/cm3

V(lahus) = ?

Seosed ja valemid:

m(lahus) – 100%

m(aine)   – p

$\rho=\frac{m}{V}$

Kuna antud ülesande puhul on teada aine mass ja protsendiline sisaldus, saame leida kohe kogu lahuse massi. Ning seejärel tiheduse põhivalemist avaldada lahuse ruumala:

$V=\frac{m}{\rho }$

Arvutused:

Kõigepealt leiame kogu lahuse massi:

m(lahus) – 100%

m(aine)   – p

m(lahus) – 100%

52,4 g  – 16%

$m(lahus)=\frac{52,4\ g\times 100\%}{16\%}=327,5\  g$

Seejärel leiame lahuse ruumala:

$V(lahus)=\frac{m}{\rho }=\frac{327,5\  g}{1,09\  g/cm^{3}}\approx 300,5\  cm^{3}$

4.3. Ainete lahustuvus vees

Lahused on kõikjal meie ümber, näiteks looduslik vesi, kohv, tee, söögiäädikas jne. Mõned ained lahustuvad vees paremini ja mõned halvemini. Lahustuvuse teemaga tutvumiseks vaata läbi alljärgnev video.

Allikas: https://youtu.be/qX48GTpOo-A

Lahus koosneb kahest komponendist: lahustist ja lahustunud ainest. Kõige tuntum lahusti on vesi. Kui lahustada vees kristalset ainet (ainet, mille kristallvõre koosneb ioonidest või molekulidest), ümbritsevad vee molekulid lahustuva aine osakesi ning need lähevad lahusesse.

Joonis 1. Lahuse tekkimine.

Lahuse tekkimine

Seda, kui palju ainet on võimalik antud tingimustel vees lahustada, iseloomustab lahustuvus. Lahustuvus näitab maksimaalset aine kogust grammides, mida on võimalik lahustada antud temperatuuril 100 grammis lahustis. Lahustuvusest arusaamine muutub oluliseks eelkõige lahuste valmistamisel, kui tuleb ise võtta sobivad ainekogused või valida mõne aine lahustamiseks parim lahusti. Oluline on mõista, et aine lahustuvus esitatakse kindlal temperatuuril ning tahkete ainete lahustuvus vees temperatuuri kasvades suureneb. Kui leida erinevatel temperatuuridel lahustuva aine maksimaalne kogus, saab koostada lahustuvuskõvera. Lahustuvuskõveralt on näha kui palju ainet 100 grammis lahustis maksimaalselt lahustub. Lahustuvus esitataksegi alati kindlal temperatuuril ja 100 grammi lahusti kohta, näiteks suhkru lahustuvus 20 ºC juures on 200 g/ 100 g vees (andmed: http://chestofbooks.com/food/science/Experimental-Cookery/The-Solubility-Of-The-Sugars.html).

Pilt

Erinevate ainete lahustuvuse sõltuvus temperatuurist. Allikas: https://www.slideshare.net/mrtangextrahelp/19-solutions-and-solubility

Uurime joonisel  toodud lahustuvuskõveraid lähemalt. Kui me soovime teada, kui palju lahustub kaaliumnitraati 70 ºC juures 100 grammis vees, tuleb kõigepealt leida üles lahustuvuskõver, mis kirjeldab KNO3 lahustuvust vees. Seejärel leida temperatuuri teljelt 70 ºC, liikuda KNO3 lahustuvuskõverani ning sinna jõudes liikuda vastava punktini lahustuvuse teljelt. Seejärel saamegi graafikult lugeda, et 70 ºC juures lahustub KNO3 130 g/ 100 g vees (joonisel sinine joon).

Leidmaks naatriumnitraadi lahustuvust 50 grammis vees 50 ºC, käitume alguses samamoodi. Leiame üles NaNO3 lahustuvuskõvera ning 50 ºC puutepunkti ja loeme lahustuvuse teljelt näidu, milleks tuleb ~ 116 g/ 100 g vees (joonisel roheline joon). Meie käest küsiti aga naatriumnitraadi lahustuvust 50 grammis vees 50 ºC juures, seega kui 100 grammis lahustub 116 grammi naatriumnitraati, siis 50 grammis vees lahustub poole vähem. Vastuseks saamegi, et NaNO3-e lahustuvus 50 ºC 50 grammi vee kohta on 58 g.

Lahuseid saab jaotada kaheks: küllastumata lahus ja küllastunud lahus. Küllastumata lahuses saab antud tingimustel (temperatuur ja lahusti hulk) sama ainet veel lahustada. Küllastunud lahuse korral antud tingimustel ainet enam rohkem ei lahustu, vaid see jääb anuma põhja sademena.

pilt

Küllastumata lahus (vasakul) ja küllastunud lahus sademega (paremal)

Ainete lahustuvus sõltub temperatuurist. Tahkete ainete lahustuvus tavaliselt suureneb temperatuuri tõustes. Gaaside lahustuvus aga väheneb temperatuuri tõustes. Siin saab mõelda veekogude peale suvel. Hapniku lahustuvus vees väheneb seoses vee temperatuuri tõusuga ning paljud kalad surevad hapniku puudumise tõttu. Gaaside lahustuvust mõjutab lisaks temperatuurile ka rõhk. Rõhu suurenedes gaaside lahustuvus suureneb. Siin saab analoogiat tuua gaseeritud jookidega. Kui joogid on veel avamata, on süsihappegaas lahustunud vedelikus, kuna rõhk pudelis on suurem. Korgi avamisel väheneb rõhk pudelis ja seetõttu ka süsihappegaasi lahustuvus vedelikus ning gaas proovib pudelist välja pääseda.

Ilmselt oled märganud, et vahel lahustub suhkur tees kiiremini ja vahel aeglasemalt. Kristallilise aine lahustumise kiirus sõltub mitmetest teguritest, näiteks aine peenestusastmest, temperatuurist, lahuse segamisest.