Chemie je zajímavá a poměrně složitá věda. Jeho termíny a pojmy se s námi setkáváme v každodenním životě a ne vždy je intuitivně jasné, co znamenají a jaký je jejich význam. Jedním z těchto konceptů je rozpustnost. Tento termín je široce používán v teorii řešení a v každodenním životě se s jeho používáním setkáváme, protože jsme obklopeni stejnými řešeními. Ale není důležité ani tak samotné použití tohoto pojmu, ale fyzikální jevy, které označuje. Než však přejdeme k hlavní části našeho příběhu, pojďme rychle vpřed do devatenáctého století, kdy Svante Arrhenius a Wilhelm Ostwald formulovali teorii elektrolytické disociace.
Historie
Studium roztoků a rozpustnosti začíná fyzikální teorií disociace. Je nejsnáze pochopitelný, ale příliš primitivní a s realitou se shoduje jen v některých momentech. Podstatou této teorie je, že rozpuštěná látka, která se dostane do roztoku, se rozloží na nabité částice nazývané ionty. Právě tyto částice určují chemické vlastnosti roztoku a některé jeho fyzikální charakteristiky, včetně vodivosti a bodu varu, bodu tání a bodu krystalizace.
Ale je jich víckomplexní teorie, které považují roztok za systém, ve kterém částice na sebe vzájemně působí a tvoří tzv. solváty – ionty obklopené dipóly. Dipól je obecně neutrální molekula, jejíž póly jsou opačně nabité. Dipól je nejčastěji molekula rozpouštědla. Když se rozpuštěná látka dostane do roztoku, rozloží se na ionty a dipóly jsou přitahovány k jednomu iontu opačně nabitým koncem a k dalším iontům druhým opačně nabitým koncem. Tak se získají solváty - molekuly s obalem z jiných neutrálních molekul.
Nyní si povíme něco málo o podstatě samotných teorií a podíváme se na ně blíže.
Teorie řešení
Tvorba takových částic může vysvětlit mnoho jevů, které nelze popsat pomocí klasické teorie řešení. Například tepelný efekt rozpouštěcí reakce. Z hlediska Arrheniovy teorie je obtížné říci, proč, když je jedna látka rozpuštěna v druhé, může být teplo absorbováno a uvolněno. Ano, krystalová mřížka je zničena, a proto se energie buď spotřebuje a roztok se ochladí, nebo se uvolní při rozpadu kvůli přebytku energie chemických vazeb. Ale ukazuje se, že je nemožné to vysvětlit z hlediska klasické teorie, protože samotný mechanismus destrukce zůstává nepochopitelný. A pokud použijeme chemickou teorii roztoků, je jasné, že molekuly rozpouštědla, zaklíněné do dutin mřížky, ji ničí zevnitř, jako by „uzavíraly“ionty od sebe navzájem pomocí solvatačního obalu.
V další části se podíváme na to, co je rozpustnost a na vše, co s touto zdánlivě jednoduchou a intuitivní veličinou souvisí.
Koncept rozpustnosti
Je čistě intuitivní, že rozpustnost udává, jak dobře se látka rozpouští v daném konkrétním rozpouštědle. O povaze rozpouštění látek však obvykle víme velmi málo. Proč se například křída nerozpouští ve vodě a stolní sůl - naopak? Všechno je to o síle vazeb uvnitř molekuly. Pokud jsou vazby silné, pak se kvůli tomu tyto částice nemohou disociovat na ionty, a tím zničit krystal. Proto zůstává nerozpustný.
Rozpustnost je kvantitativní charakteristika ukazující, jaký podíl rozpuštěné látky je ve formě solvatovaných částic. Jeho hodnota závisí na povaze rozpuštěné látky a rozpouštědla. Rozpustnost ve vodě pro různé látky je různá v závislosti na vazbách mezi atomy v molekule. Látky s kovalentními vazbami mají nejnižší rozpustnost, zatímco látky s iontovými vazbami mají nejvyšší.
Ne vždy je ale možné pochopit, která rozpustnost je velká a která malá. Proto v další části probereme, jaká je rozpustnost různých látek ve vodě.
Porovnání
V přírodě je mnoho kapalných rozpouštědel. Existuje ještě více alternativních látek, které mohou sloužit jako poslední při dosažení určitých podmínek, například určitýchagregovaný stav. Je jasné, že pokud shromáždíte data o rozpustnosti v sobě každého páru "rozpuštěná látka - rozpouštědlo", nebude to stačit na věčnost, protože kombinace jsou obrovské. Proto se stalo, že na naší planetě je voda univerzálním rozpouštědlem a standardem. Udělali to, protože je to nejběžnější na Zemi.
Byla tak sestavena tabulka rozpustnosti ve vodě pro mnoho stovek a tisíců látek. Všichni jsme to viděli, ale v kratší a srozumitelnější verzi. Buňky tabulky obsahují písmena označující rozpustnou látku, nerozpustnou nebo mírně rozpustnou. Ale existuje více vysoce specializovaných tabulek pro ty, kteří jsou vážně zběhlí v chemii. Označuje přesnou číselnou hodnotu rozpustnosti v gramech na litr roztoku.
Nyní přejdeme k teorii takové věci, jako je rozpustnost.
Chemie rozpustnosti
Jak samotný proces rozpouštění probíhá, jsme již rozebrali v předchozích částech. Ale jak to například celé zapsat jako reakci? Všechno zde není tak jednoduché. Například, když je kyselina rozpuštěna, vodíkový iont reaguje s vodou za vzniku hydroniového iontu H3O+. Pro HCl bude tedy reakční rovnice vypadat takto:
HCl + H2O =H3O+ + Cl-
Rozpustnost solí v závislosti na jejich struktuře je také určena jejich chemickou reakcí. Druh posledně jmenovaného závisí na struktuře soli avazby v jeho molekulách.
Přišli jsme na to, jak graficky zaznamenat rozpustnost solí ve vodě. Nyní je čas na praktickou aplikaci.
Aplikace
Pokud uvedete případy, kdy je tato hodnota potřeba, nestačí ani století. Nepřímo pomocí něj můžete vypočítat další veličiny, které jsou velmi důležité pro studium jakéhokoli řešení. Bez něj bychom nemohli znát přesnou koncentraci látky, její aktivitu, nedokázali bychom posoudit, zda lék člověka vyléčí nebo zabije (ostatně i voda je ve velkém množství životu nebezpečná).
Kromě chemického průmyslu a vědeckých účelů je pochopení podstaty rozpustnosti nezbytné také v každodenním životě. Někdy je skutečně nutné připravit, řekněme, přesycený roztok látky. Například je to nutné k získání krystalů soli pro domácí úkol dítěte. Když známe rozpustnost soli ve vodě, můžeme snadno určit, kolik jí je třeba nalít do nádoby, aby se začala srážet a tvořit krystaly z přebytku.
Než zakončíme naši krátkou exkurzi do chemie, promluvme si o několika konceptech souvisejících s rozpustností.
Co je ještě zajímavé?
Podle našeho názoru, pokud jste se dostali do této sekce, pravděpodobně jste již pochopili, že rozpustnost není jen podivná chemická veličina. Je základem pro další veličiny. A mezi nimi: koncentrace, aktivita, disociační konstanta, pH. A to není úplný seznam. Určitě jste alespoň jeden slyšeliz těchto slov. Bez těchto znalostí o povaze roztoků, jejichž studium začalo rozpustností, si již moderní chemii a fyziku nedovedeme představit. Jaká je zde fyzika? Někdy se řešeními zabývají i fyzici, měří jejich vodivost a využívají jejich další vlastnosti pro své potřeby.
Závěr
V tomto článku jsme se seznámili s takovým chemickým pojmem, jako je rozpustnost. To byla pravděpodobně docela užitečná informace, protože většina z nás stěží chápe hlubokou podstatu teorie řešení, aniž bychom měli chuť se do jejího studia ponořit do detailu. V každém případě je velmi užitečné trénovat mozek tím, že se naučíte něco nového. Koneckonců, člověk musí celý život „studovat, studovat a znovu studovat“.
