Kemija je zanimiva in precej kompleksna znanost. Njegovi izrazi in koncepti se srečujemo v vsakdanjem življenju in ni vedno intuitivno jasno, kaj pomenijo in kakšen je njihov pomen. Eden od teh konceptov je topnost. Ta izraz se pogosto uporablja v teoriji rešitev, v vsakdanjem življenju pa se srečamo z njegovo uporabo, ker smo obkroženi s temi istimi rešitvami. Vendar ni pomembna toliko sama uporaba tega pojma, temveč fizični pojavi, ki jih označuje. Toda preden preidemo na glavni del naše zgodbe, pojdimo naprej v devetnajsto stoletje, ko sta Svante Arrhenius in Wilhelm Ostwald oblikovala teorijo elektrolitske disociacije.
Zgodovina
Študija rešitev in topnosti se začne s fizikalno teorijo disociacije. Najlažje je razumeti, a preveč primitivno in le v nekaterih trenutkih sovpada z realnostjo. Bistvo te teorije je, da se topljenec, ko pride v raztopino, razgradi na nabite delce, imenovane ioni. Ti delci določajo kemične lastnosti raztopine in nekatere njene fizikalne značilnosti, vključno s prevodnostjo in vreliščem, tališčem in kristalizacijskim mestom.
Ampak obstaja večkompleksne teorije, ki obravnavajo rešitev kot sistem, v katerem delci medsebojno delujejo in tvorijo tako imenovane solvate – ione, obdane z dipoli. Dipol je na splošno nevtralna molekula, katere pola sta nasprotno nabita. Dipol je najpogosteje molekula topila. Ko pride v raztopino, se raztopljena snov razgradi na ione in dipole privlači en ion z nasprotno nabitim koncem glede na njih, druge ione pa z drugim nasprotno nabitim koncem. Tako dobimo solvate - molekule z lupino drugih nevtralnih molekul.
Sedaj pa se pogovorimo malo o bistvu samih teorij in si jih podrobneje oglejmo.
Teorije rešitev
Nastajanje takšnih delcev lahko pojasni številne pojave, ki jih ni mogoče opisati s klasično teorijo rešitev. Na primer toplotni učinek reakcije raztapljanja. Z vidika Arrheniusove teorije je težko reči, zakaj se lahko, ko se ena snov raztopi v drugi, toplota absorbira in sprosti. Da, kristalna mreža je uničena, zato se energija bodisi porabi in raztopina se ohladi ali pa se med razpadom sprosti zaradi presežne energije kemičnih vezi. Toda izkazalo se je, da je to nemogoče razložiti s stališča klasične teorije, saj sam mehanizem uničenja ostaja nerazumljiv. In če uporabimo kemično teorijo raztopin, postane jasno, da molekule topila, zagozdene v praznine rešetke, jo uničijo od znotraj, kot da bi "obdajale"ioni drug od drugega z raztopino lupine.
V naslednjem razdelku si bomo ogledali, kaj je topnost in vse, kar je povezano s to na videz preprosto in intuitivno količino.
Koncept topnosti
Povsem intuitivno je, da topnost kaže, kako dobro se snov raztopi v določenem topilu. Vendar o naravi raztapljanja snovi običajno vemo zelo malo. Zakaj se na primer kreda ne raztopi v vodi, namizna sol pa obratno? Vse je odvisno od moči vezi znotraj molekule. Če so vezi močne, potem zaradi tega ti delci ne morejo disociirati na ione in s tem uničiti kristal. Zato ostaja netopen.
Topnost je kvantitativna značilnost, ki kaže, kolikšen delež topljenca je v obliki solvatiranih delcev. Njegova vrednost je odvisna od narave topljenca in topila. Topnost v vodi za različne snovi je različna, odvisno od vezi med atomi v molekuli. Snovi s kovalentnimi vezmi imajo najnižjo topnost, medtem ko imajo snovi z ionsko vezjo najvišjo.
Vendar ni vedno mogoče razumeti, katera topnost je velika in katera majhna. Zato bomo v naslednjem razdelku razpravljali o tem, kakšna je topnost različnih snovi v vodi.
Primerjava
V naravi je veliko tekočih topil. Še več je alternativnih snovi, ki lahko služijo kot zadnje, ko so doseženi določeni pogoji, na primer določeniagregatno stanje. Postane jasno, da če zbirate podatke o topnosti drug v drugem vsakega para "topljenec - topilo", to ne bo dovolj za večnost, saj je kombinacij ogromno. Zato se je zgodilo, da je voda na našem planetu univerzalno topilo in standard. To so storili, ker je najpogostejša na Zemlji.
Tako je bila sestavljena tabela topnosti v vodi za več sto in tisoče snovi. Vsi smo ga videli, vendar v krajši in bolj razumljivi različici. Celice tabele vsebujejo črke, ki označujejo topno snov, netopno ali rahlo topno. Obstajajo pa bolj visoko specializirane mize za tiste, ki so resno seznanjeni s kemijo. Označuje natančno številčno vrednost topnosti v gramih na liter raztopine.
Zdaj se obrnimo na teorijo takšne stvari, kot je topnost.
Kemija topnosti
Kako poteka sam postopek razpustitve, smo že analizirali v prejšnjih razdelkih. Kako pa na primer vse to zapisati kot reakcijo? Tukaj ni vse tako preprosto. Na primer, ko se kislina raztopi, vodikov ion reagira z vodo, da tvori hidronijev ion H3O+. Tako bo za HCl reakcijska enačba videti takole:
HCl + H2O =H3O+ + Cl-
Topnost soli, odvisno od njihove strukture, določa tudi njena kemična reakcija. Vrsta slednjega je odvisna od strukture soli invezi znotraj njegovih molekul.
Ugotovili smo, kako grafično zabeležiti topnost soli v vodi. Zdaj je čas za praktično uporabo.
Prijava
Če naštejete primere, ko je ta vrednost potrebna, niti stoletje ni dovolj. Posredno z njegovo uporabo lahko izračunate druge količine, ki so zelo pomembne za preučevanje katere koli rešitve. Brez nje ne bi mogli vedeti natančne koncentracije snovi, njene aktivnosti, ne bi mogli oceniti, ali bo zdravilo ozdravilo ali ubilo (navsezadnje je tudi voda v velikih količinah življenjsko nevarna).
Poleg kemične industrije in znanstvenih namenov je razumevanje bistva topnosti potrebno tudi v vsakdanjem življenju. Dejansko je včasih potrebno pripraviti, recimo, prenasičeno raztopino snovi. To je na primer potrebno za pridobitev kristalov soli za otroško domačo nalogo. Če poznamo topnost soli v vodi, zlahka ugotovimo, koliko jo je treba vliti v posodo, da se začne oboriti in iz presežka tvoriti kristale.
Preden zaključimo naš kratek izlet v kemijo, se pogovorimo o nekaj konceptih, povezanih s topnostjo.
Kaj je še zanimivega?
Po našem mnenju, če ste prišli do tega razdelka, ste verjetno že razumeli, da topnost ni le čudna kemična količina. Je osnova za druge količine. In med njimi: koncentracija, aktivnost, disociacijska konstanta, pH. In to ni popoln seznam. Gotovo ste slišali vsaj enegaiz teh besed. Brez tega znanja o naravi rešitev, katerih preučevanje se je začelo s topnostjo, si sodobne kemije in fizike ne moremo več predstavljati. Kaj je tukaj fizika? Včasih se fiziki ukvarjajo tudi z rešitvami, merijo njihovo prevodnost in uporabljajo njihove druge lastnosti za svoje potrebe.
Sklep
V tem članku smo se seznanili s takšnim kemičnim konceptom, kot je topnost. To je bil verjetno zelo koristen podatek, saj večina od nas skoraj ne razume globokega bistva teorije rešitev, ne da bi se želeli podrobneje poglobiti v njeno preučevanje. Vsekakor je zelo koristno, da svoje možgane trenirate tako, da se naučite nekaj novega. Konec koncev se mora človek vse življenje "učiti, študirati in znova učiti".
