Przeczytaj

bg‑cyan

Jak możemy podzielić kryształy?

Kryształy tworzą jedną z dwóch podstawowych grup stałego stanu materii. Charakteryzują się uporządkowaną budową, co ma odzwierciedlenie w ich właściwościach. Można je podzielić na cztery grupy, ze względu na występujące w nich wiązania, decydujące o właściwościach fizycznych kryształów. Wyróżniamy:

Kryształy jonowe

Przykłady: $NaCl$ , ${CaF}_{2}$ , $KBr$ , ${KNO}_{3}$ .

Aby powstał taki kryształ, potrzebne są atomy w formie jonów, czyli obdarzone ładunkiem elektrostatycznym. Pierwiastki o dużej różnicy elektroujemności oddziałują na siebie w taki sposób, że atom o wysokiej elektroujemności przesuwa w swoją stronę elektrony walencyjne. Następuje polaryzacja wiązania. Między kationami (jony o ładunku dodatnim, niskiej elektroujemności) a anionami (ładunek ujemny, wysoka elektroujemność) występują oddziaływania elektrostatyczne. Cała struktura rozmieszczona jest w taki sposób, aby siły przyciągania jonów różnoimiennych były większe niż odpychanie jonów jednoimiennych, czyli posiadających ładunek o tym samym znaku. Związki o strukturze jonowej powstają w wyniku połączenia pierwiastków z pierwszej (litowce) i drugiej (berylowce) grupy wraz z pierwiastkami szóstej (tlenowce) oraz siódmej (chlorowce) grupy układu okresowego. Klasycznym przykładem kryształu jonowego jest chlorek sodu zbudowany z jonów ${Na}^{+}$ i ${Cl}^{-}$ .

Kryształy kowalencyjne

Przykłady: diament, ${SiO}_{2}$ , $Si$

Nazywane są również kryształami atomowymi. Pierwiastki, które biorą udział w tworzeniu związku o wiązaniu kowalencyjnym, oddziałują między sobą w przestrzeni międzyatomowej i uwspólniają pary elektronów walencyjnych. W ten sposób powstają silne przyciągania między atomami. Zgodnie z regułą oktetu, mogą powstać maks. cztery pary elektronowe. Wiązanie kowalencyjne może łączyć atomy zarówno jednego pierwiastka, jak i kilku różnych, np. wiązanie $C - H$ jest wiązaniem kowalencyjnym o znikomej polaryzacji
( $∆_{X} C - H = 2,5 - 2,1 = 0,4$ ), dlatego nie obserwujemy znacznego momentu dipolowego, a rozkład ładunku elektrycznego jest symetryczny. Momenty dipolowe wiązań są przeciwnie skierowane i znoszą się, a więc cząsteczka nie jest polarna.

Kryształy molekularne

Przykłady:

polarne z wiązaniami typu dipol‑dipol, np.: $HCl$ , $H_{2} O$ , ${SO}_{2}$ ;
niepolarne z wiązaniami typu van der Waalsa, np.: $I_{2}$ , ${CO}_{2}$ , $Ar$ , ${CH}_{4}$ .

Zbudowane są z cząsteczek posiadających własną strukturę, wewnątrz której atomy połączone są wiązaniami kowalencyjnymi. Cząsteczki te mogą oddziaływać na siebie na trzy sposoby: słabymi oddziaływaniami van der Waalsa (dotyczy to cząsteczek niepolarnych), oddziaływaniami dipol‑dipol lub też wiązaniem wodorowym (cząsteczki polarne). Przykładem takiej struktury są kryształy cukru buraczanego, czyli sacharozy.

Kryształy metaliczne

Przykłady: $Na$ , $Cu$ , $Mg$ , $Fe$ .

Dotyczą głównie metali i ich stopów. Pomiędzy atomami występuje wiązanie metaliczne. Oznacza to, że rdzenie atomów pierwiastków metalicznych otoczone są swobodnymi elektronami walencyjnymi, które wypełniają przestrzeń międzyatomową w formie tzw. gazu elektronowego. Powoduje to powstanie silnych oddziaływań elektrostatycznych.

R11u1fuYyfuSM

Zdjęcie przedstawiające wrastający w podłoże skalne przeźroczysty kryształ, którym jest diament. — Diament jest przykładem kryształu, w którym występują wiązania kowalencyjne.
Źródło: Parent Géry , dostępny w internecie: pl.wikipedia.org, domena publiczna.

bg‑cyan

Podział rozpuszczalników

RozpuszczalnikirozpuszczalnikRozpuszczalniki natomiast podzielić można:

ze względu na budowę cząsteczek na:
- ciecze polarne, w których rozpuszczają się cząsteczki dipolowe oraz związki jonowe;
- ciecze niepolarne, rozpuszczające cząsteczki, które nie są dipolami.
ze względu na właściwości chemiczne na:
- protyczne, zawierające w swojej strukturze tzw. kwaśne protonykwaśny protonkwaśne protony, które mogą ulec oderwaniu przez drobiny o charakterze zasadowym, a także biorą udział w tworzeniu wiązań wodorowych;
- aprotyczne, pozbawione jonów wodorowych $H^{+}$ .

Reasumując, wszystkie rozpuszczalniki protonowe są też polarne, natomiast aprotonowe mogą być zarówno polarne, jak i niepolarne, co ostatecznie daje trzy główne grupy rozpuszczalników:

protonowe;
aprotonowe polarne;
aprotonowe niepolarne.

bg‑cyan

Rozpuszczalniki niepolarne

Polarność związku ma istotny wpływ na jego właściwości fizyczne i chemiczne zarówno wtedy, gdy jest on używany jako reagent, jak i wtedy, gdy pełni rolę rozpuszczalnika.

Ważne!

Rozpuszczalniki niepolarne są substancjami, których moment dipolowy jest równy lub bliski zeru. Można również przyjąć, że rozpuszczalnik nie wykazuje trwałych biegunów elektrostatycznych. W takich rozpuszczalnikach cząsteczki oddziałują głównie za pośrednictwem sił van der Waalsa.

Niepolarne ciecze są słabymi rozpuszczalnikami dla cząsteczek polarnych, ponieważ oddziaływania międzycząsteczkowe pomiędzy cząsteczkami rozpuszczalnika są słabsze niż oddziaływania wewnątrz substancji rozpuszczanej. Podobnie silne oddziaływania międzycząsteczkowe w rozpuszczalnikach polarnych powodują, że rozpuszczalność substancji niepolarnych jest w takich rozpuszczalnikach słaba lub nie zachodzi wcale.

Rozpuszczalnikami niepolarnymi są głównie substancje organiczne, np. benzen, heksan lub metylobenzen.

bg‑cyan

Rozpuszczalność w rozpuszczalnikach niepolarnych

Podczas rozpuszczania ciała stałego lub cieczy, drobiny, z których są one zbudowane, zostają oddzielone od siebie, a przestrzeń między nimi zajmują cząsteczki rozpuszczalnika.

Aby rozpuszczalnik mógł rozpuścić daną substancję, musi oddziaływać na występujące w niej wiązania – np. kryształ jonowy składa się z kationów i anionów, połączonych siłami elektrostatycznymi. Aby więc doprowadzić do jego rozpadu, należy wpłynąć na to wiązanie takimi samymi siłami. Działanie rozpuszczalnikami niepolarnymi na kryształy jonowe nie przyniesie żadnego skutku.

Rozpuszczalniki niepolarne rozpuszczają substancje o takim samym charakterze – wśród kryształów będą nimi kryształy kowalencyjne i niektóre kryształy molekularne. Rozpuszczalniki niepolarne bardzo dobrze sprawdzą się także przy tworzeniu roztworów substancji organicznych, takich jak oleje czy benzyna.

Rozpuszczanie zależy od rodzaju rozpuszczalnika, a dokładnie od jego stałej dielektrycznej epsilonstała dielektrycznastałej dielektrycznej epsilon. Stałe dielektryczne wybranych substancji zostały przedstawione w tabeli poniżej:

Rodzaj rozpuszczalnika	Nazwa	Wzór	Stała dielektryczna
apolarny	benzen	$C_{6} H_{6}$	$2,25$
apolarny	metylobenzen	$C_{6} H_{5} {CH}_{3}$	$2,38$
apolarny	eter dietylowy	$C_{2} H_{5} {OC}_{2} H_{5}$	$4,34$
apolarny	chloroform	${CHCl}_{3}$	$4,90$
apolarny	dichlorometan	${CH}_{2} {Cl}_{2}$	$8,90$

Indeks górny źródło: Hermann T., Podręcznik dla studentów farmacji i analityki medycznej, Warszawa 2008. Indeks górny koniec

Ciekawostka

Podstawową regułą rządzącą zjawiskiem rozpuszczania jest reguła, mówiąca, że podobne rozpuszcza się (miesza się) w podobnym (łac. similia similibus solventur). Przez „podobne” rozumiemy tu przede wszystkim polarność cząsteczek mieszających się w roztworze.

Załóżmy, że polarną substancję A (ciało stałe) próbujemy rozpuścić w niepolarnym rozpuszczalniku B, np. kryształy sacharozy w heksanie. Cząsteczki sacharozy są silnie powiązane ze sobą siłami elektrostatycznymi, dlatego niepolarne cząsteczki heksanu nie są w stanie wniknąć pomiędzy.

ROzhT1C9jJArc

Ilustracja przedstawiająca model kulkowo‑pręcikowy cząsteczki sacharozy, która jest dwucukrem zbudowanym z D‑glukozy oraz D‑fruktozy, które łączy wiązanie α,β‑1,2-O-glikozydowe. Przy każdym atomie tlenu zaznaczono cząstkowy ładunek ujemny, a przy atomach wodoru cząstkowe ładunki dodatnie. Atomy węgla stanowią czarne kulki, atomy tlenu czerwone, zaś atomy wodoru małe, białe kulki. Strukturę stanowi sześcioczłonowy pierścień, w którym pierwszy lokant stanowi atom węgla C1 związany z atomem tlenu wbudowanym w tenże pierścień. Węgiel C5 zamyka pierścień i łączy się ze wspomnianym atomem tlenu oraz węglem C6, niewbudowanym w pierścień. Od węgla C1 odchodzi wiązanie łączące go z atomem tlenu, który to łączy się z węglem C2 pierścienia D‑fruktozy. Od węgli C2 oraz C4 odchodzą do góry grupy hydroksylowe OH, zaś do dołu od grupy C3, grupa hydroksylowa odchodzi również od węgla C6. Drugi pięcioczłonowy pierścień stanowi D‑fruktoza, w której węgiel C1 należący do grupy CH2 podstawiony jest grupą hydroksylową O H i łączy się z atomem węgla C2, który związany jest z atomem tlenu łączącym pierścień D‑fruktozy z pierścieniem D‑glukozy. Od węgla C3 do dołu odchodzi grupa hydroksylowa O H, z kolei od węgla C4 do góry odchodzi grupa hydroksylowa OH. Węgiel C4 łączy się z atomem tlenu, który to łączy się z atomem węgla C1, co zamyka pięcioczłonowy pierścień. Ponadto od węgla C4 odchodzi do dołu grupa CH2OH. — Model cząsteczki sacharozy z ukazanymi wiązaniami pomiędzy atomami
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

RAwHm3aIANoNz

Ilustracja przedstawiająca model cząsteczki sacharozy, jednak w przeciwieństwie do poprzedniego rysunku w modelu kulkowym, bez ukazanych wiązań. Ponownie przy wszystkich atomach tlenu symbolizowanych przez czerwone kulki zaznaczono cząstkowe ładunki ujemne, a także przy wszystkich atomach wodoru symbolizowanych przez białe kulki. — Model cząsteczki sacharozy bez ukazanych wiązań pomiędzy atomami
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

RKj5fia5vz8cA

Ilustracja przedstawiająca model kulowy dwóch związanych ze sobą cząsteczek sacharozy, z uwagi na przeciwne naładowanie biegunów cząsteczek. Atomy węgla w modelu symbolizują czarne kulki, atomy tlenu czerwone, a wodoru białe. Jeden z pierścieni budujących pierwszą cząsteczkę interkaluje pomiędzy obydwa pierścienie drugiej cząsteczki sacharozy (to jest znajduje się dokładnie między nimi, oddziela je). Drugi pierścień pierwszej cząsteczki osłania od zewnątrz jeden z pierścieni drugiej cząsteczki. Nakładają się one ze sobą podobnie jak dwie zakładki lub haczyki. — Dwie cząsteczki sacharozy, ściśle ze sobą związane z powodu przeciwnie naładowanych biegunów
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Niepolarne cząsteczki rozpuszczalnika nie są w stanie rozerwać sił spójności, które występują między polarnymi cząsteczkami substancji rozpuszczanej.

W przypadku podobnych substancji, gdy wymieszamy dwie niepolarne (np. naftalen w benzenie), między cząsteczkami obu substancji niepolarnych wystąpi brak znaczniejszych sił, które mogą wiązać te cząsteczki, i w efekcie, bez większych problemów, zmieszają się ze sobą, dając tym samym roztwór.

Słabe siły międzycząsteczkowe niepolarnej substancji są przezwyciężane przez słabe przyciągania niepolarnego rozpuszczalnika. Substancja niepolarna rozpuszcza się w niepolarnym rozpuszczalniku.

Ćwiczenie 1

Wykonaj poniższe doświadczenie. Zapisz obserwacje oraz wnioski.

Doświadczenie nr 1

Badanie rozpuszczalności chlorku sodu w benzynie

Do probówki wlej ok. $1 {cm}^{3}$ benzyny, a następnie wrzuć do niej kilka kryształków $NaCl$ . Zatkaj probówkę korkiem i wstrząśnij zawartością.

RavJ3TkQecrMH

Ćwiczenie 2

Wykonaj poniższe doświadczenie. Zapisz obserwacje oraz wnioski.

Doświadczenie nr 2

Badanie rozpuszczalności ${KMnO}_{4}$ w heksanie

Do probówki wlej ok. $1 {cm}^{3}$ heksanu, a następnie wrzuć do niej niewielki kryształek manganianu( $VII$ ) potasu. Zatkaj probówkę korkiem i wstrząśnij jej zawartością.

RavJ3TkQecrMH

Obserwacje: Manganian( $VII$ ) potasu nie rozpuścił się w heksanie.

Wniosek: Związki polarne, takie jak manganian( $VII$ ) potasu, nie rozpuszczają się w heksanie, który jest związkiem chemicznym niepolarnym.

Ćwiczenie 3

Wykonaj poniższe doświadczenie. Zapisz obserwacje oraz wnioski.

Doświadczenie nr 3

Badanie rozpuszczalności naftalenu w metylobenzenie

Do probówki wlej ok. $1 {cm}^{3}$ metylobenzenu, a następnie wrzuć do niej niewielką ilość naftalenu. Zatkaj probówkę korkiem i wstrząśnij jej zawartością.

RavJ3TkQecrMH

Ćwiczenie 4

Wykonaj poniższe doświadczenie. Zapisz obserwacje oraz wnioski.

Doświadczenie nr 4

Porównanie rozpuszczalności jodu w różnych rozpuszczalnikach

Do czterech probówek wlej po ok. $2 - 3 {cm}^{3}$ : wody, metylobenzenu, etanian etylu, kwasu etanowego. Następnie dodaj do probówek kryształki jodu wielkości połowy główki od zapałki. Probówki zatkaj korkami i wstrząśnij ich zawartością.

RavJ3TkQecrMH

Ćwiczenie 5

W oparciu o poniższą animację doświadczenia sformułuj problem badawczy i hipotezę. Zapisz obserwacje i wnioski.

R1Rvk2zOgtjGA

Film pt. Badanie rozpuszczalności siarki w toluenie
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

RQGLuK14zXV2l

Problem badawczy: Czy substancja niepolarna rozpuści się w niepolarnym rozpuszczalniku?/Czy temperatura rozpuszczalnika ma wpływ na proces rozpuszczania kryształu (siarki) w rozpuszczalniku niepolarnym?

Hipoteza: Rozpuszczalność substancji niepolarnej w rozpuszczalniku niepolarnym wzrasta wraz z temperaturą./Im wyższa temperatura rozpuszczalnika, tym łatwiej można w nim rozpuścić kryształ.

Obserwacje: Po zmieszaniu kryształów siarki z metylobenzem, kryształy nie uległy rozpuszczeniu. W wyniku podgrzania roztworu do $95 ° C$ kryształy uległy całkowitemu rozpuszczeniu w metylobenzenie. Po obniżeniu temperatury do $55 ° C$ , siarka zaczęła się ponownie krystalizowaćkrystalizacjakrystalizować na dnie kolby.

Wnioski: Kryształy siarki ulegają rozpuszczeniu wyłącznie w podgrzanym metylobenzenie – po spadku temperatury, zaczynają się wytrącać i ponownie krystalizują.

Słownik

stała dielektryczna

inaczej względna przenikalność elektryczna, $ε$ ; określa, ile razy przenikalność elektryczna danego ośrodka jest większa od przenikalnośći elektrycznej próżni; wielkość bezwymiarowa

rozpuszczalnik

substancja (najczęściej ciecz) zdolna do tworzenia jednorodnych układów z substancjami, które są w nim rozpuszczone; układy te nazywane są roztworami

kwaśny proton

kwaśnym protonem nazywany jest kation wodoru utworzony poprzez oderwanie jednego elektronu od atomu wodoru; w zapisach przebiegu reakcji chemicznych zapisywany jako $H^{+}$

krystalizacja

proces powstawania fazy krystalicznej z fazy stałej, ciekłej lub gazowej; proces ten zachodzi, gdy rozpuszczalnik (ciecz) i substancja rozpuszczona (ciało stałe) osiągają graniczne stężenie; krystalizacji towrzyszy wydzielenie ciepła, czyli krystalizacja jest procesem egzotermicznym

Bibliografia

Buza D., Sas W., Szczeciński P., Chemia organiczna. Kurs podstawowy, Warszawa 2006, online: http://bcpw.bg.pw.edu.pl/Content/6230/dbcho.pdf, dostęp: 21.01.2020.

Domagała M., Niezwykły Świat Krystalografii, Wydział Chemii Uniwersytetu Łódzkiego, online: http://www.chemia.uni.lodz.pl/acch/prezentacje/Malgorzata_Domagala_ACCh_2014_2015.pdf, dostęp: 21.01.2020.

Kąkol Z., Żukrowski J., Materia skondensowana, online: http://home.agh.edu.pl/~kakol/efizyka/w37/main37a.html, dostęp: 21.01.2020.

Substancje - ciecze, online: http://www.mlyniec.gda.pl/~chemia/ogolna/substancje/substancja_ciecze.html, dostęp: 21.01.2020.

Ślączka A., Materiały do wykładów z podstaw chemii wzbogacania Kopalin Stałych Politechniki Śląskiej, Śląsk, online: http://dydaktyka.polsl.pl/rg5/slaczka/chem_IV_W6.html, dostęp: 21.01.2020.

Wprowadzenie

Wirtualne laboratorium – S

Jak możemy podzielić kryształy?

Podział rozpuszczalników

Rozpuszczalniki niepolarne

Rozpuszczalność w rozpuszczalnikach niepolarnych

Słownik

Bibliografia