Rozpustnost
Obsah boxu
Šablona:Infobox - veličina Rozpustnost je fyzikálně-chemická vlastnost, která udává maximální množství určité látky (rozpouštěné látky), které je možné za daných podmínek (především teploty a tlaku) rozpustit v určitém množství jiného látky (rozpouštědla) za vzniku stabilního, homogenního roztoku. Vyjadřuje se nejčastěji jako hmotnostní koncentrace, molární koncentrace nebo jako hmotnost rozpuštěné látky na 100 gramů rozpouštědla.
Rozpustnost je klíčovým konceptem v mnoha oblastech vědy i praktického života, od chemie a farmacie přes geologii až po potravinářství a ekologii.
🧪 Definice a jednotky
Rozpustnost je kvantitativní údaj. Lze ji vyjádřit několika způsoby:
- Gramy na 100 gramů rozpouštědla (g/100 g): Toto je velmi častý způsob vyjádření, zejména v tabulkách a na křivkách rozpustnosti. Udává, kolik gramů látky se rozpustí ve 100 gramech rozpouštědla (např. vody) při dané teplotě.
- Molární koncentrace (mol/l nebo M): Udává počet molů rozpuštěné látky v jednom litru nasyceného roztoku. Tato jednotka je preferována v analytické chemii a fyzikální chemii.
- Hmotnostní koncentrace (g/l nebo kg/m³): Udává hmotnost rozpuštěné látky v daném objemu roztoku.
- Hmotnostní zlomek (%): Vyjadřuje podíl hmotnosti rozpuštěné látky na celkové hmotnosti roztoku.
- Součin rozpustnosti (Ks): Speciální konstanta používaná pro málo rozpustné iontové sloučeniny. Je definován jako součin rovnovážných koncentrací iontů v nasyceném roztoku, umocněných na jejich stechiometrické koeficienty.
Kvalitativně se látky dělí na:
- Dobře rozpustné: Látky s vysokou rozpustností (např. chlorid sodný ve vodě).
- Málo rozpustné (nebo omezeně rozpustné): Látky, které se rozpouštějí jen v malém množství (např. chlorid stříbrný ve vodě).
- Nerozpustné: V praxi termín pro látky s extrémně nízkou, téměř neměřitelnou rozpustností. Žádná látka není absolutně nerozpustná.
⚙️ Mechanismus rozpouštění
Rozpouštění je proces, při kterém dochází k rozptylování částic (molekul, atomů nebo iontů) jedné látky (rozpouštěné) mezi částice druhé látky (rozpouštědla). Tento proces lze rozdělit do tří základních kroků:
1. Rozrušení vazeb mezi částicemi rozpouštěné látky: Je nutné dodat energii k překonání sil, které drží částice pohromadě (např. mřížková energie u krystalů). 2. Rozrušení vazeb mezi částicemi rozpouštědla: Je třeba vytvořit prostor pro částice rozpouštěné látky, což také vyžaduje energii k překonání mezimolekulových sil v rozpouštědle. 3. Vytvoření nových vazeb mezi částicemi rozpouštěné látky a rozpouštědla: Tento proces, nazývaný solvatace (v případě vody hydratace), uvolňuje energii. Částice rozpouštědla obklopí částice rozpouštěné látky.
Celková energetická bilance těchto tří kroků určuje, zda je rozpouštění exotermní (uvolňuje teplo) nebo endotermní (spotřebovává teplo), což má vliv na závislost rozpustnosti na teplotě.
🌡️ Faktory ovlivňující rozpustnost
Rozpustnost dané látky není konstantní, ale závisí na několika klíčových faktorech.
Povaha látky a rozpouštědla
Základním pravidlem je „podobné se rozpouští v podobném“ (latinsky similia similibus solvuntur).
- Polární látky: Látky tvořené polárními molekulami (např. kuchyňská sůl, cukr, ethanol) se dobře rozpouštějí v polárních rozpouštědlech (např. voda, methanol). Voda je vynikajícím polárním rozpouštědlem díky své schopnosti tvořit vodíkové vazby.
- Nepolární látky: Látky tvořené nepolárními molekulami (např. olej, jod, naftalen) se dobře rozpouštějí v nepolárních rozpouštědlech (např. benzen, hexan, tetrachlormethan).
Polární a nepolární látky jsou navzájem nemísitelné nebo jen velmi málo mísitelné (např. olej a voda).
Teplota
Vliv teploty na rozpustnost je různý pro různé skupenství:
- Pevné látky: U většiny pevných látek rozpustnost v kapalinách s rostoucí teplotou stoupá. Je to proto, že jejich rozpouštění je často endotermní proces. Zvýšení teploty dodá systému energii potřebnou k rozrušení krystalové mřížky. Existují však výjimky, například síran ceritý (Ce₂(SO₄)₃), jehož rozpustnost ve vodě s rostoucí teplotou klesá.
- Plyny: Rozpustnost plynů v kapalinách s rostoucí teplotou vždy klesá. Vyšší teplota dodává molekulám plynu větší kinetickou energii, což jim umožňuje snadněji uniknout z roztoku zpět do plynné fáze. To je důvod, proč se z ohřáté sodovky uvolňuje oxid uhličitý rychleji než ze studené.
Tlak
Vliv tlaku je významný především pro rozpustnost plynů:
- Plyny v kapalinách: Rozpustnost plynu v kapalině je přímo úměrná parciálnímu tlaku tohoto plynu nad kapalinou. Tento vztah popisuje Henryho zákon. Vyšší tlak "vtlačuje" více molekul plynu do roztoku. Příkladem je výroba sycených nápojů, kde se oxid uhličitý rozpouští ve vodě pod vysokým tlakem.
- Pevné a kapalné látky: Tlak má na rozpustnost pevných a kapalných látek v kapalinách jen zanedbatelný vliv.
Přítomnost dalších látek
Přítomnost jiných rozpuštěných látek v roztoku může rozpustnost ovlivnit. Příkladem je tzv. vysolování, kdy přidání dobře rozpustné soli (např. chlorid sodný) do roztoku jiné látky (např. mýdla) sníží rozpustnost této druhé látky a způsobí její vyloučení z roztoku. U málo rozpustných solí může přítomnost iontu společného s danou solí (tzv. efekt společného iontu) výrazně snížit její rozpustnost.
Velikost částic a míchání
Velikost částic a míchání neovlivňují hodnotu rovnovážné rozpustnosti, ale rychlost rozpouštění. Menší částice (větší povrch) a intenzivní míchání proces rozpouštění výrazně urychlují, protože umožňují rychlejší kontakt molekul rozpouštědla s povrchem rozpouštěné látky.
📊 Typy roztoků
Podle míry rozpuštění látky rozlišujeme tři základní typy roztoků:
- Nenasycený roztok: Obsahuje méně rozpuštěné látky, než odpovídá její rozpustnosti za daných podmínek. V takovém roztoku se může ještě další množství látky rozpustit.
- Nasycený roztok: Obsahuje právě maximální možné množství rozpuštěné látky, které odpovídá její rozpustnosti. V roztoku je ustavena dynamická rovnováha – rychlost rozpouštění pevných částic je stejná jako rychlost jejich zpětné krystalizace. Jakýkoliv další přídavek látky se již nerozpustí.
- Přesycený roztok: Obsahuje více rozpuštěné látky, než odpovídá její rozpustnosti. Jedná se o nestabilní (metastabilní) stav, který lze připravit například ochlazením nasyceného roztoku připraveného za vyšší teploty. Z přesyceného roztoku lze snadno vyvolat krystalizaci, například přidáním krystalizačního jádra (malého krystalku dané látky) nebo mechanickým podnětem (škrábnutí skleněnou tyčinkou o stěnu nádoby).
📈 Křivky rozpustnosti
Křivka rozpustnosti je grafické znázornění závislosti rozpustnosti látky (obvykle na ose y) na teplotě (na ose x). Každá látka má svou charakteristickou křivku.
- Křivky, které stoupají, znázorňují látky, jejichž rozpustnost s teplotou roste (např. dusičnan draselný).
- Křivky, které klesají, patří látkám, jejichž rozpustnost s teplotou klesá (např. zmíněný síran ceritý).
- Ploché křivky ukazují malou závislost na teplotě (např. chlorid sodný).
Z křivek lze vyčíst, kolik látky se rozpustí při určité teplotě, nebo naopak při jaké teplotě se dané množství látky právě rozpustí. Jsou důležité pro procesy jako je frakční krystalizace, která se používá k dělení směsí látek na základě jejich rozdílné rozpustnosti při různých teplotách.
🌍 Význam a využití
Rozpustnost má zásadní význam v mnoha oblastech:
- Farmacie: Rozpustnost léčiv ve vodě a tucích ovlivňuje jejich vstřebávání v těle a jejich účinnost.
- Průmysl: Využívá se při výrobě chemikálií, čištění látek krystalizací, výrobě nápojů, barev a laků.
- Geologie: Rozpustnost minerálů ve vodě je zodpovědná za vznik krasových jevů (např. rozpouštění vápence za vzniku jeskyní).
- Ekologie: Rozpustnost kyslíku ve vodě je klíčová pro život vodních organismů. Rozpustnost znečišťujících látek určuje jejich šíření v životním prostředí.
- Každodenní život: Setkáváme se s ní při vaření (rozpouštění cukru, soli), úklidu (použití čisticích prostředků) nebo přípravě nápojů.
💡 Pro laiky
Představte si, že si sladíte čaj. Čaj je v tomto případě rozpouštědlo a cukr je rozpouštěná látka.
- Když do čaje nasypete jednu lžičku cukru a zamícháte, cukr zmizí – rozpustil se. Vytvořili jste nenasycený roztok. Stále byste mohli přidat další cukr.
- Pokračujete v přidávání cukru, až se dostanete do bodu, kdy se další cukr už nerozpouští a zůstává ležet na dně hrnku, i když mícháte. Právě jste dosáhli nasyceného roztoku. Množství cukru, které se do té doby rozpustilo, odpovídá jeho rozpustnosti v čaji při dané teplotě.
- Pokud byste si připravili horký, velmi sladký čaj (nasycený roztok) a nechali ho velmi opatrně a pomalu vychladnout, mohl by v něm zůstat rozpuštěný více cukru, než by odpovídalo jeho rozpustnosti za studena. Takový roztok je přesycený a je velmi nestabilní. Stačilo by do něj vhodit jediné zrnko cukru a přebytečný cukr by okamžitě začal krystalizovat.
Vliv teploty si můžete snadno ověřit: v horkém čaji rozpustíte mnohem více cukru než ve studeném. To ukazuje, že rozpustnost cukru ve vodě s teplotou roste.