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.
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).
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.
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.
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.
Jämepihuseid liigitatakse järgmiselt, lähtudes pihustunud aine ja pihustuskeskkonna olekutest:
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 |
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.
Enne selle teema läbimist tuleta endale meelde, et
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.
Arvutusülesannete lihtsamaks lahendamiseks võid tegutsemisjuhiseks võtta järgnevad sammud:
Teeme koos läbi kolm erinevat ülesannet.
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.
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% $m(aine)=\frac{715\ g\times 20\%}{100\%}=143\ g$ |
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: $V(lahus)=\frac{m}{\rho }=\frac{327,5\ g}{1,09\ g/cm^{3}}\approx 300,5\ cm^{3}$ |
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.
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.
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).
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.
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.