1

Disperzni sistemi

DISPERZNO SREDSTVO

pravi rastvori ili rastvori < 1 nmkoloidni rastvori 1-100 nmsuspenzije > 100 nm

DISPERZNA FAZA

HOMOGENI HETEROGENI

SASTAV

Rastvori• Homogeni disperzni

sistemi (molekulsko disperzni sistemi).

• Komponente rastvora:– Otapalo (rastvarač)– supstanca u velikom višku

• Polarna jedinjenja• Nepolarna jedinjenja

– Rastvorena (otopljena) supstanca

• Ionska jedinjenja• Molekulska

jedinjenja

• Opšte pravilo: “Slično se u sličnom otapa”.

• Ionska jedinjenja i polarna kovalentna u polarnim otapalima:– supstanca: NaCl; HCl;– rastvarač: H2O.

• Nepolarna jedinjenja u nepolarnim otapalima:– supstanca: ugljikovodici,– rastvarač: CCl4

Podjela rastvora

Važnije vrste rastvora:

• rastvori čvrstih supstanci u tečnostima,

• rastvori tečnosti u tečnostima,

• rastvori gasova u tečnostima.

Važnija svojstva vode• tačka ključanja vode 100 oC (normalni

pritisak 101325 Pa);• tačka mržnjenja vode 0 oC (normalni

pritisak 101325 Pa);• velika specifična toplota;• velika toplota isparavanja;• velika dielektrična konstanta;• dipolni karakter.• Voda je osnovni medij u kojem se odvijaju

hemijske i biohemijske reakcije.

2

Rastvori čvrstih supstanci u tečnostima

rastvorena supstanca rastvarač rastvor

Solvatacija• Solvatacija - proces otapanja supstance u

rastvaraču.• Hidratacija - proces otapanja supstance u vodi kao

rastvaraču formiranjem ion- dipol veze.

Zasićenost rastvora

• Prema količini rastvorene supstance:• nezasićeni rastvor,• zasićeni rastvor,• prezasićeni rastvor.

• Rastvorljivost supstance: koncentracija rastvorene supstance u zasićenom rastvoru na određenoj temperaturi (t).

• Kristalizacija – proces suprotan rastvaranju, izdvajanje soli u obliku kristala.

Faktori koji određuju rastvorljivost

• Priroda supstance

• Priroda rastvarača

• Temperatura• Energetski procesi:

– energija kristalne rešetke (endoterman proces);– energija hidratacije (egzoterman proces).

EKR>EH endoterman proces otapanjaEKR<EH egzoterman proces otapanja

3

Rastvori tečnosti u tečnostima

• Prema prirodi supstanci:– dvije tečnosti se potpuno miješaju,– dvije tečnosti se djelimično miješaju,– dvije tečnosti se ne miješaju.

• Svojstva tekućina koje se miješaju– Rastvor ključa kada napon pare dostigne vrijednost

atmosferskog pritiska (0,1 MPa).– Pare rastvora imaju drugačiji sastav od tečne faze.– Para je uvijek bogatija hlapivijom komponentom u

odnosu na tečnu fazu.– Azeotropne smjese: konstantnog sastava, ključaju

na određenoj temperaturi.

Postupci razdvajanja tečnosti

• Frakciona destilacija - razdvajanje tekućina bliskih tački ključanja.

• Destilacija vodenom parom - razdvajanje nestabilnih tekućina na temperaturi nižoj od njihove tačke ključanja.- Izolacija i prečišćavanje prirodnih jedinjenja iz

biljnog materijala (destilacija eteričnih ulja).

Rastvori gasova u tečnostima

Faktori koji određuju topivost gasova

• Priroda gasa• Inertni (slabo topivi): N2, O2, CO.• Hemijski reaktivni ( topivi): NH3, H2S, CO2, SO2.

• Temperatura rastvora• Topivost gasa opada s porašću temperature (t).

• Pritisak iznad rastvora• Topivost raste s porašću pritiska (p).

Pritisak gasa• W. Henry (1803): Sadržaj plina otopljenog u rastvoru

na određenoj temperaturi proporcionalan je parcijalnom pritisku plina (p) iznad tekućine:

xB = kX·pBxB- molski udio gasa;pB- parcijalni pritisak gasa;kx- Henryeva konstanta.

Zakon vrijedi za:- slabo topive plinovepri niskim p.Zakon ne vrijedi:- slabo topive plinovepri visokim p;- dobro topive plinove.

Rastvorljivost gasa u tekućini

4

Koligativne osobine rastvora

Zavise od količine otopljene supstance a ne od prirode supstance.

Rastvori imaju drugačije koligativne osobine od čistih rastvarača.

Koligativne osobine:• napon pare rastvarača (nad rastvorom);• sniženje tačke mržnjenja rastvora;• povećanje tačke ključanja rastvora;• osmotski pritisak rastvora.

Napon pare tečnosti

Pod naponom pare tečnostipodrazumjevamo pritisak paratečnosti iznad tečne faze kadaje sistem u stanju ravnoteže.

tečnost → para

Sistem mora biti zatvoren dabi se uspostavilo ravnotežno

stanje.

Tečnost u ravnoteži sa parom

Ključanje tečnostiTačka ključanja je temperatura na kojoj je napon pare tečnosti izjednačen sa atmosferskim pritiskom.

Tečnost ključa po čitavoj zapremini a ne sa površine.

Tačka ključanja je različita za različite supstance, a zavisi od međumolekulskih sila prvenstveno.

Normalna temperatura ključanja se odnosi na pritisak od 1 atmosfere.

Što su sile između molekula slabije,tečnost ima nižu tačku ključanja.

Ključanje tečnosti

Raoultov zakon

• F. Raoult (1887): Napon pare rastvarača iznad rastvora je manji nego iznad čistog rastvarača na istoj temperaturi.

pA = pAθ·xA

pA- napon pare rastvarača iznad rastvora;pA

θ- napon pare čistog rastvarača;xA- molski udio rastvarača.

Sniženje napona pare rastvarača će biti veće što je veći udio rastvorene supstance u rastvoru.

5

Sniženje tačke mržnjenja i povećanje tačke ključanja rastvora

• Javljaju se kao rezultat smanjenog napona pare rastvarača iznad rastvora (Raoult).

• Otopina ima veće vrelište od čistog otapala.• Otopina ima niže ledište od čistog otapala.

∆T = K·bB

Kkr ili Keb- sniženje ledišta ili povećanje vrelišta za 1 molalni rastvor neelektrolita (Kkg/mol);

bB- molalitet (mol/kg).

∆T= ∆tEbulioskopija∆t = t.k.(rastvora)-t.k.(rastvarača)Krioskopija∆t = t.m.(rastvora)- t.m. (rastvarača)

Dijagram sniženja tačke mržnjenja i povećanja tačke ključanja rastvora

Difuzija• Dvije otopine različitih koncentracija u neposrednom

kontaktu, nastoje izjednačiti svoje koncentracije i to tako da otapalo difundira (rasprostire se) iz razblažene otopine u koncentrovaniju, a otopljena tvar suprotno iz koncentrovanije u razblaženu.

• Ovisnost brzine difuzije:– masa difundirajućih čestica,– temperatura,– koncentracijski gradijent,– viskozitet rastvora.

Difuzija nije ograničena samo na rastvore!!

Primjeri difuzije: miris cvijeća, širenje dima cigarete, izmjena gasova između zemljišta i atmosfere.

Biološki značaj: transport supstanci u živim organizmima.

Osmoza

� Osmoza je jedan oblik difuzije.

� Kretanje rastvarača kroz

polupropustljivu

(semipermeabilnu) membranu.

� Rastvarač se kreće iz rastvora sa manjom koncentracijom rastvorene supstance u rastvor sa većom koncentracijom rastvorene supstance.

� Proces traje dok se

koncentracije dva rastvora ne

izjednače. Osmotski tok rastvarača kroz polupropustljivu membranu u rastvor

6

Osmotsko izjednačavanje koncentracije skroba u rastvorima različite koncentracije, odvojenim

polupropusnom membranom

4% skrob 10% skrob

H2O7% skrob

7% skrob

početno stanje konačno stanje

semipermeabilna membrana

Jednačina osmotskog pritiska• Osmotski pritisak

– Ravnotežni pritisak rastvora nastao kao rezultat procesa osmoze.

– J.H. vant Hoff (1887) jednačina osmotskog pritiska:

π = c· R ·Tπ - osmotski pririsak rastvora;

R - univerzalna gasna konstanta 8,314 J/molK;T - termodinamička temperatura (K).

T = 273,15 K+ t (oC)Zakon vrijedi za razblažene rastvore (c < 0,1 mol/dm3)-

idealni rastvori.

Osmoza i osmotski pritisakOsmoza

Osmotski pritisak i ćelija

Ćelije crvenih krvnih zrnaca (eritrociti)

izotonični rastvor hipertonični rastvor hipotonični rastvor

7

Biološki značaj osmoze

• Transport vode u ćeliju i iz ćelije.

• Primanje vode iz tla preko korijenskog sistema.

• Uspravan položaj biljke (osmotski pritisak).

• Kretanje vode u biljci (kombinacija efekta osmoze i hidrogenskih veza).

Sekvoja

Pojam elektrolita

• M. Faraday - pojave provođenja električne struje kroz taline i vodene rastvore soli.

• Anioni - putuju prema anodi.• Kationi - putuju prema katodi.• Elektroliza - raspad soli na ione pod uticajem

električne struje.• Elektroliti - supstance koje provode struju

pomoću iona.• Neelektroliti - supstance koje ne provode struju.

Teorija elektrolitičke disocijacije

• S. Arrhenius (Arenius) 1887: Elektroliti su supstance koje otapanjem u vodi disociraju (raspadaju se na ione).

• Otopine elektrolita pokazuju veće sniženje ledišta i povećanje vrelišta od neelektrolita(usljed disocijacije na ione).

Prikaz elektrolitičke disocijacije:

K+A- + pH2O → [K(H2O)m]+ + [A(H2O)n]-

pojednostavljeno:K+A- → K+

(aq) + A-(aq)

Podjela elektrolita

• Jaki (pravi) elektroliti - potpuno disociraju u vodenim rastvorima na ione.– Čista ionska jedinjenja; ionske kristalne rešetke (soli).

• Slabi (potencijalni) elektroliti - djelimično disociraju na ione u vodenim rastvorima.– Polarna kovalentna jedinjenja (kiseline, baze, soli

kovalentnog karaktera).

• Neelektroliti - supstance koje ne disociraju na ione;rastvaraju se do molekula i ne provode struju (uglavnom organska nepolarna jedinjenja).

8

Jaki elektroliti su100% disocirani

soli H2O 100%ioni

NaOH(s) Na+(aq) + OH-(aq) H2O

CaBr2(s) Ca2+(aq) + 2Br- (aq)

kiselina

HCl(g) H2O H3O+(aq) + Cl-(aq)

Slabi elektroliti

�Većina rastvorene supstance se nalazi u molekulskom obliku u rastvoru.

�Samo mali broj čestica disocira na ione.

HF + H2O →→→→ H3O+(aq) + F- (aq)kiselina

NH3 + H2O →→→→ NH4+(aq) + OH- (aq)

baza

Neelektroliti

�Rastvaraju se do molekula.

�Ne stvaraju ione u vodi.

�Ne provode električnu struju.

H2O

C6H12O6 (s) →→→→ C6H12O6 (aq)

glukoza

(čvrsto stanje) (otopljena u vodi)

Disocijacija kovalentnih jedinjenjaHeterolitičko cijepanje veze

A-B → A+ + B-

Cijepaju se veze koje imaju najveći polarni karakter O-H u kiselinama.

9

Disocijacija baza• Heterolitičko cijepanje veze između metalnog

iona i OH (hidroksidne) grupe:Na+OH- → Na+ + OH-

Amfoterni elektroliti

- Disocijacija O-H veze (kiselina).- Disocijacija M-OH veze (baza).

- Elektronegativnost oko 1,7 centralnih atoma (Zn(OH)2, Al(OH)3).

H2AlO3- Al(OH)2

+

H3AlO3 Al(OH)3

Definicija kiselina

• Arrhenius: Kiseline su supstance koje disocijacijom daju H+ ione.

• Baze su supstance koje disocijacijom daju OH- ione.

• Reakcija između kiselina i baza se zove neutralizacija pri čemu nastaju soli.

• Soli disocijacijom daju katione i anione koji nisu H+ ioni i OH- ioni.

• Amfoterni elektroliti daju u vodenim otopinama i H+ i OH- ione.

Osobine kiselina i baza• H3O+ (hidronijum ion)

nosilac kiselih osobina.

• Vodene otopine pokazuju kiselu reakciju.

• Mijenjaju boju indikatora iz plave u crvenu.

• Jake kiseline:• HClO4, HNO3, HCl, H2SO4

• Slabe kiseline: • H3PO4, H2SO3, HF,

CH3COOH.

• Vrlo slabe kiseline: • H2S, H2CO3, H3BO3.

• OH- (hidroksid ion)nosilac baznih osobina.

• Vodeni rastvor reaguje bazno.

• Mijenjaju boju crvenog lakmus papira u plavu.

• Jake baze: • alkalnih metala i

zemnoalkalnih metala• (Ca(OH)2, Sr(OH)2,

Ba(OH)2. • ostale su slabe baze.

Klasifikacija anorganskih jedinjenja• Oksidi - spoj metala ili nemetala sa oksigenom.

� Kiseli - sa vodom daju kiseline. � Bazni - sa vodom daju baze.� Neutralni - sa vodom ne daju kiseline.� Amfoterni - mogu graditi i kiselinu i bazu.

• Kiseline - disocijacijom daju H+ ione. • Baze - disocijacijom daju OH- ione. • Soli

� Neutralne - potpuna neutralizacija.� Kisele - djelimična neutralizacija poliprotonske kiseline. � Bazne - djelimična neutralizacija polihidroksilnih baza.

10

Primjeri anorganskih jedinjenja

CO2 + H2O → H2CO3

CaO + H2O → Ca(OH)2

Al2O3 + 6 HCl → 2 AlCl3 + 3 H2O

kiseli oksid kiselina

bazni oksid baza

amfoterni oksid kiselina so

Al2O3 + 2 NaOH → 2 NaAlO2 + H2Oamfoterni oksid baza so

voda

voda

Primjeri anorganskih jedinjenja• Neutralne soli

– Potpuna neutralizacija (reakcija kiseline i baze).

• NaCl, Na3PO4, Na2SO4, AlCl3, CaCO3

• Kisele soli– Djelimična neutralizacija kiseline.

• NaHSO4, NaH2PO4, NaHPO4

• Bazne soli– Djelimična neutralizacija poliprotonske baze.

CaOHCl, Al(OH)2Cl

Heterogeni sistemi

• Mikroheterogeni sistemi (preko 100 nm)�Suspenzije - disperzna faza čvrsta, disperzno

sredstvo tečno. • Smjesa gline i vode.• Vide se golim okom ili pod mikroskopom.

�Emulzije - disperzna faza i disperzno sredstvo tečni

• Smjesa ulja i vode (mlijeko, kreme).• Vide se golim okom ili pod mikroskopom.

Ultramikroheterogeni sistemi (1-100 nm)�Koloidi

Ne vide se golim okom.

Prema stepenu usitnjenosti disperze faze:

Koloidno stanje materije

� Koloidne čestice - sadrže mikrokristale.– Koloidni rastvori metala.

�Koloidne čestice - sadrže agregate malih molekula.Koloidni rastvori anorganskih slabo topivih jedinjenja Fe(OH)3, Al(OH)3.

�Koloidne čestice - sadrže makromolekule.Prirodni i vještački koloidni rastvori (bjelančevine, ugljikohidrati, polimeri).

11

Vrste koloidnih rastvora• Liofilni koloidi

– imaju afinitet prema rastvaraču,– hidrofilni koloidi (voda rastvarač),– na česticu je vezan sloj rastvarača,– stabilni su,– teško se talože elektrolitom.– Primjeri: skrob, celuloza, bjelančevine.

• Liofobni koloidi– nemaju afinitet prema rastvaraču,– hidrofobni (voda rastvarač),– na čestici nije vezan sloj rastvarača,– nisu stabilni,– lako se talože elektrolitom.– Primjeri: glina, silikatne kiseline, hidroksidi

željeza.

Osobine koloidnih rastvora

• Slabo difunduju.• Ne dijalizuju.• Ne prolaze kroz ultrafiltre.• Daju Tindalov fenomen.• Pokazuju pojavu opalescencije.• Vide se pomoću ultramikroskopa.• Imaju mali osmotski pritisak.• Imaju malo sniženje tačke mržnjenja.• Talože se elektrolitima, suprotno

naelektrisanim koloidnim česticama.

Osobine koloidnih rastvora• Molekulsko-kinetičke

– Braunovo kretanje• Haotično cik-cak kretanje usljed sudara koloidnih čestica.

– Osmotski pritisak• Manji kod koloidnih rastvora u odnosu na prave

rastvore.

– Dijaliza• Postupak odvajanja čestica pravih rastvora iz koloidnih

rastvora dijalizatorima.

– Ultrafiltracija• Postupak odvajanja čestica pravih rastvora od koloidnih

rastvora upotrebom ultrafiltera.

– Sedimentacija i ultracentrifugiranje• Spontano taloženje koloida-sedimentacija.• Taloženje centrifugalnom silom do 60 000 rpm.

Optičke osobine koloida� Disperzija svjetlosti

– Tindalov fenomen– Opalescencija: razlika u boji koloidnih rastvora zavisno od

ugla posmatranja.– Nefelometrija:metoda određivanja koncentracije koloida na

osnovu disperzije svjetlosti.

• Ultramikroskopija• Posmatranje Braunovog kretanja,• ne vidi se oblik čestica.• Elektronska mikroskopija• Za posmatranje dimenzije ioblika koloidnih čestica.

– Uvećanje 600 000 puta.

Tindalov efekat

12

Površinske pojave koloida

• Ukupna površina koloidnih čestica je velika.

• Koloidni sistemi imaju veliku površinsku energiju.

S – površina;σ - površinski napon;ε – površinska energija.

• Koloidi smanjuju površinsku energiju adsorpcijom.

S⋅= σε

Adsorpcija• Površinski napon – višak energije molekula površinskog sloja

date supstance.

•Adsorpcija- koncentriranje jedne supstance u površinskom sloju (tečnosti) ili na površini (čvrste) druge supstance.�Adsorbent- supstanca koja vrši adsorpciju.�Adsorbans- supstanca koja se adsorbuje.

molekule u tećnosti

molekule na površini

Vrste adsorpcije

• Molekulska ili nepolarnaAdsorpcija neelektrolita ili slabog elektrolita iz

rastvora na čvrsti adsorbens.• Ionska ili polarna• Adsorpcija iona na čvrsti adsorbens.

– Ionoizmjenjivačka adsorpcija

• Značaj ionske adsorpcijeŽivi svijet, biljni organizmi, zemljište, ishrana biljaka.

• Adsorpcijom iona koloidne čestice dobivaju električki naboj.

Električne osobine koloida• Dvostruki električni sloj

� Na granici čvrste i tečne faze.

� Adsorpcioni sloj

� Primarni sloj daje naelektrisanje čestice.

� Difuzni sloj

� elektrostatko vezivanje, kompenzuje naboj primarnog sloja.

• Način nastajanja:

� ionskom adsorpcijom,

� disocijacijom na površini molekule. Formiranje dvostrukog električnog sloja

primarni adsorpcioni sloj

difuzijskisloj

rastvor

13

• Elektroforeza- kretanje naelektrisane čestice pod dejstvom spoljnjeg električnog polja u pravcu suprotno naelektrisane elektrode.

Električne osobine koloida

ssmjesa mjesa proteinaproteina

• Jezgro - čvrsti dio koloidne čestice.

• Granula – jezgra sa adsorpcionim slojem.

• Micela – koloidna čestica sa dvostrukim električnim slojem.

Struktura koloidne čestice

Stabilnost koloidnih sistema

• Sol stanje – koloidni rastvor.

• Gel – mrežasta struktura sa uklopljenim molekulima vode.

• Gele grade hidrofilni koloidi (makromolekule).

• Reverzibilnom koagulacijom sol prelazi u gel.

• Liofilni koloidi se teško koaguliraju (dodatak elektrolita).

• Koagulacija – udruživanje koloidnih čestica u agregate.

• Peptizacija - proces prevođenja koaguliranog koloida u sol stanje.

• Vrši se dodatkom elektrolita (liofilni koloidi) i dodatkom vode (liofobni koloidi).

• Ireverzibilnom koagulacijom nastaje koagulat (kuhanjebjelanceta jajeta).