สารละลาย ( Solution)

1. สารละลาย (Solution) สาขาวิทยาศาสตร์ คณะวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตเฉลิมพระเกียรติ จังหวัดสกลนคร

2. เนื้อหา • ชนิดของสารละลาย • ความเข้มข้นของสารละลาย • การละลายได้ •ขั้นตอนการเกิดสารละลาย • สภาพการละลายได้ • สารละลายอุดมคติ •กฏของราอูลท์ • สมบัติคอลลิเกตีฟของสารละลาย

3. Dissolve K2Cr2O7(aq) K2Cr2O7(s) สารละลาย (Solution) คือ สารเนื้อเดียวที่มีสารตั้งแต่ 2 ชนิดเป็นองค์ประกอบ - ตัวละลายหรือตัวถูกละลาย (Solute) คือสารที่มีปริมาณน้อยกว่า - ตัวทำละลาย (Solvent) คือสารที่มีปริมาณมากกว่า • - สารละลายที่มีน้ำเป็นตัวทำละลาย เรียกว่า • aqueous solution (aq)

4. การเรียกชนิดสารละลาย ชนิดของสารละลายเรียกตามจำนวนองค์ประกอบ ตัวอย่างเช่น 1. สารละลายทวิภาค (Binary Solution) คือ สารละลายที่มี 2 องค์ประกอบ เช่น น้ำเชื่อม 2. สารละลายไตรภาค (Ternary Solution) คือ สารละลายที่มี 3 องค์ประกอบ เช่น น้ำหวานโซดา (น้ำ + น้ำตาล + โซดา)

5. ชนิดของสารละลาย

6. ความเข้มข้นของสารละลายความเข้มข้นของสารละลาย ความเข้มข้น (Concentration) ของสารละลาย คือ ปริมาณของตัวละลายต่อปริมาณตัวทำละลายหรือสารละลาย มี 6 หน่วย ดังนี้ 1. ร้อยละของตัวละลาย - ร้อยละโดยน้ำหนัก (Percent by weight, %w/w) - ร้อยละโดยปริมาตร (Percent by volume, %v/v) • ร้อยละโดยน้ำหนักต่อปริมาตร • (Percent weight by volume, %w/v)

7. ความเข้มข้นของสารละลายความเข้มข้นของสารละลาย 2. โมลาริตี (Molarity, M, mol/dm3, mol/L) 3. โมแลลลิตี (molality, m, molal, mol/kg) 4. ฟอร์มาลิตี (Formality,F) 5. นอร์มาลิตี (Normality, N) 6. เศษส่วนโมล (mole fraction )

8. Meniscus(ท้องน้ำ) ขีดปรับระดับ อุปกรณ์เตรียมสารละลาย * ขวดวัดปริมาตร (Volumetric Flask) ใช้เพื่อปรับปริมาตรของสารละลายรวมให้ได้ปริมาตรที่ต้องการ - ใส่ตัวถูกละลายตามปริมาณที่ต้องการในขวดเชิงปริมาตร (ถ้าเป็นของแข็ง ให้ละลายตัวถูกละลายก่อนใส่ในขวด) - เติมตัวทำละลายจนได้ปริมาตรของสารละลายเท่าที่ต้องการ

9. มวลตัวถูกละลาย (g) มวลสารละลาย (g) x 100% % W/W = ปริมาตรตัวถูกละลาย (mL) ปริมาตรสารละลาย (mL) มวลตัวถูกละลาย (g) ปริมาตรสารละลาย (mL) x 100% x 100% %V/V = %W/V = 1. ร้อยละของตัวละลาย • ร้อยละโดยมวล (% by weight) • ร้อยละโดยปริมาตร (% by volume) • ร้อยละโดยมวลต่อปริมาตร (% weight by volume)

10. 1. ร้อยละของตัวละลาย NaOH เข้มข้น 5% โดยมวล • - ในสารละลาย 100 กรัม มี NaOH ละลายอยู่ 5 กรัม • - การเตรียม ชั่ง NaOH 5 กรัม ละลายน้ำ 95 กรัม (ได้สลล.100 g) สารละลายเอทานอลเข้มข้น 30% โดยปริมาตร • - ในสารละลาย 100 cm3 มีเอทานอลละลายอยู่ 30 cm3 • - การเตรียมตวงเอทานอล 30 cm3เติมน้ำจนได้ สลล. 100 cm3 สารละลาย NaCl เข้มข้น 15% โดยมวลต่อปริมาตร • - ในสารละลาย 100 cm3 มีตัวถูกละลาย NaCl อยู่ 15 g • - การเตรียมชั่ง NaCl 15 g เติมน้ำจนได้สารละลาย 100 cm3

11. Examples • จะเตรียมสารละลาย NaOH 2.5 % w/w ปริมาณ 750 gได้อย่างไร

12. Examples (ต่อ) • จงคำนวณเปอร์เซ็นต์ของ K2CO3ในสารละลาย โดย • การละลาย K2CO3 15 g ในน้ำ 60 g

13. Examples 3. จะต้องใช้ CaCl2 กี่กรัม ละลายน้ำ 80 กรัมเพื่อให้ได้สารละลายเข้มข้น 5 % โดยมวล

14. จำนวนโมลของตัวถูกละลาย จำนวนโมลของตัวถูกละลาย M = ปริมาตรของสารละลาย (dm3) 2. โมลาริตี (Molarity, M, mol/dm3, mol/L) โมลาริตี หมายถึง จำนวนโมลของตัวถูกละลายที่ละลายอยู่ในสารละลาย 1 ลูกบาศก์เดซิเมตร (dm3) ใช้หน่วยเป็น mol/dm3หรือ mol/L, M 1 dm3 = 1 L = 1000 mL = 1000 cm3 Molar 1 M (โมลาร์) = 1 mol/dm3 = 1 mol/L สารละลาย Ca(OH)2 เข้มข้น 0.05 mol/dm3 หมายถึง ในสารละลาย 1 L มี Ca(OH)2 0.05 mol

15. จำนวนโมลของตัวละลาย mol/kg = น้ำหนักของตัวทำละลาย (kg) W1 x 1000 W2 x MW mol/kg = 3. โมแลลลิตี (molality, m, molal, mol/kg) โมแลลลิตี หมายถึง จำนวนโมลของตัวถูกละลายที่ละลายอยู่ในตัวทำละลาย 1 กิโลกรัม (kg) ใช้หน่วยเป็น mol/kg, m W1 = มวลของตัวถูกละลาย (g) MW = มวลโมเลกุลของ ตัวถูกละลาย W2 = มวลของตัวทำละลาย (g)

16. โมลาริตี จำนวนโมลของตัวละลาย M = ปริมาตรของสารละลาย (dm3) โมแลลลิตี จำนวนโมลของตัวละลาย m = น้ำหนักของตัวทำละลาย (kg)

17. Examples 4. จงหาความเข้มข้นของสารละลายในหน่วยโมลาริตี และโมแลลลิตี ที่เกิดจากการละลาย NaOH 2.0 g ในน้ำ 100 g

18. Examples (ต่อ) 5. จงหาความเข้มข้นของสารละลาย H2SO42.0 ลิตรที่มีกรด H2SO4ละลายอยู่ 49 กรัม (MW ของ H2SO4 = 98)

19. Examples (ต่อ) 6. น้ำตาลซึ่งมีสูตร C12H22O11หนัก 10 g ละลายน้ำ 125 จะมีความเข้มข้นกี่โมแลล (C=12,H=1,O=16)

20. Examples (ต่อ) 7. KF 18.46 g ละลายน้ำ 200 g มีความเข้มข้นกี่ m (K = 39, F = 19)

21. โมลของตัวละลาย โมลของตัวละลาย ปริมาตรสารละลาย (dm3) ปริมาตรสารละลาย (dm3) 4. ฟอร์มาลิตี (Formality, F) ฟอร์มาลิตี หมายถึง จำนวนกรัมสูตรของตัวละลายที่ละลายอยู่ในสารละลาย 1 dm3ใช้หน่วยเป็น formal, F ฟอร์มาลิตี โมลาริตี สารประกอบไอออนิก สารประกอบที่มีสูตรโมเลกุล

22. จำนวนสมมูลของตัวถูกละลาย (eq) N = ปริมาตรสารละลาย (dm3) นน.ของตัวละลาย จำนวนสมมูล (Equivalent, eq) = นน.สมมูลของตัวละลาย มวลโมเลกุล มวลโมเลกุล = นน.สมมูล (eq.wt) = H+หรือ OH- ประจุ 5. นอร์มาลิตี (Normality, N) นอร์มาลิตี หมายถึง จำนวนสมมูลของตัวถูกละลายที่ละลายอยู่ในสารละลาย 1 dm3ใช้หน่วยเป็น นอร์มาล (normal, N)

23. Examples 8. จงคำนวณหานอร์มาลิตีของสารละลายต่อไปนี้ ก) HNO3 7.88 g ในสารละลาย 1 dm3 ข) Na2CO3 26.5 g ในสารละลาย 500 cm3

24. ก) ข)

25. n1 n2 X1 = และ X2 = n1 + n2 n1 + n2 6. เศษส่วนโมล (mole fraction) เศษส่วนโมล หมายถึง จำนวนโมลของสารองค์ประกอบนั้น หารด้วยจำนวนโมลขององค์ประกอบทั้งหมดใน สารละลาย ให้ X คือ เศษส่วนโมล ;n คือ จำนวนโมล ถ้าในสารละลายมี 2 องค์ประกอบ จะได้

26. ผลบวกของเศษส่วนโมลของสารองค์ประกอบทั้งหมดเท่ากับ 1 เสมอ X1 + X2 = 1 6. เศษส่วนโมล (mole fraction) (ต่อ) ถ้าต้องการทราบโมลเปอร์เซ็นต์ หาได้จาก โมลเปอร์เซ็นต์ = เศษส่วนโมล x 100

27. Examples 9. สารละลายประกอบด้วยน้ำ 36.0 g และกลีเซอรีน [C3H5(OH)3] 46.0 g จงคำนวณหาเศษส่วนโมลของน้ำและกลีเซอรีน (C = 12, H = 1)

28. Examples (ต่อ) 10. จงหาสัดส่วนโมลของน้ำตาล C12H22O11 ในสารละลายที่ได้จากการละลายน้ำตาล 17.1 g ในน้ำ 89.0 g (C12H22O11 = 342, H2O = 18)

29. แบบฝึกหัด 1. เตรียมสารละลายโดย เติม NaCl 5.0 g ในขวดวัดปริมาตร เติมน้ำจนได้ปริมาตร 100 mL น้ำหนักรวมของสารละลาย เท่ากับ 104.8 g จงคำนวณหาความเข้มข้น - Molar - Molal - %W/V - %W/W - Mol fraction

30. แบบฝึกหัด 2. เมื่อเติมเบนซีนจำนวน 25 cm3ลงในเฮกเซน วัดปริมาตรของสารละลายเบนซีนในเฮกเซนได้ 620 cm3อยากทราบว่าสารละลายนี้มีความเข้มข้นคิดเป็นร้อยละโดยปริมาตรเท่าใด 3. จงเตรียมสารละลาย NaCl เข้มข้น 25% โดยน้ำหนักต่อปริมาตร จำนวน 250 cm3 4. เมื่อละลาย KNO3หนัก 75 กรัม ในน้ำจำนวนหนึ่ง หลังจากปรับปริมาตรของสารละลายให้เป็น 1250 cm3แล้ว สารละลายนี้จะมีความเข้มข้นในหน่วยร้อยละโดยน้ำหนักต่อปริมาตรเท่าใด

31. แบบฝึกหัด 5. ถ้าต้องการเตรียมสารละลาย BaCl2เข้มข้น 12.0% โดยน้ำหนัก จำนวน 50 กรัม จากเกลือ BaCl2.2H2O และน้ำบริสุทธิ์ จะเตรียมได้อย่างไร (Ba = 137.3, Cl = 35.5, H = 1, O = 16) 6. สารละลาย H2SO4เข้มข้น 27% โดยน้ำหนัก และมีความหนาแน่น 1.198 g cm-3จะมีความเข้มข้นกี่โมลาร์ (H = 1, S = 32, O = 16) 7. น้ำตาลซึ่งมีสูตร C12H22O11หนัก 10 กรัม ละลายน้ำ 125 กรัม จะมีความเข้มข้นกี่โมแลล (C = 12, H = 1, O = 16)

32. แบบฝึกหัด 8. ผสมแก๊ส M หนัก 0.153 กรัม กับแก๊ส N หนัก 0.084 กรัม ในหลอดทดลองปริมาตร 100 cm3 ถ้ามวลโมเลกุลของแก๊ส M และ N เป็น 32 และ 28 ตามลำดับจงหาเศษส่วนโมล และโมลเปอร์เซ็นต์ของแก๊สแต่ละชนิด 9. เตรียมสารละลาย KMnO4เข้มข้น 0.1 N จำนวน 500 cm3เพื่อใช้เป็นตัวออกซิไดส์ในสารละลายกรด จะต้องชั่ง KMnO4หนักเท่าใด (MW ของ KMnO4 = 158) 10. จงหานอร์มาลิตีของสารละลายซึ่งมี K2Cr2O7 41.7 กรัม ในสารละลาย 600 cm3เมื่อ K2Cr2O7ทำปฏิกิริยาจะให้ Cr3+

33. เติมตัวทำละลาย แบ่งมา 250 ml 50 ml 250 ml 2 M  50 ml= M2  250 ml 2 M  50 ml 250 ml M2 = = 0.4 M การเจือจางสารละลาย (Dilution) การเจือจางสารละลายคือการทำให้ความเข้มข้นของสาร ละลายลดลงโดยการเพิ่มตัวทำละลาย การเจือจางทำให้ความเข้มข้นลดลงแต่จำนวนโมลเท่าเดิม ?M 2.0 M 2.0 M M1V1 = M2V2

34. Solvent Solution Solute การละลายได้ (Solubility) สารละลายเกิดขึ้นได้อย่างไร ? การที่อนุภาคของตัวถูกละลายเข้าไปแทนที่อนุภาคของ ตัวทำละลาย เกิดขึ้นได้เมื่อ - ทำลายแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของตัวทำละลาย - ทำลายแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของตัวถูกละลาย - สร้างแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของตัวทำละลายและตัวถูกละลาย solvation

35. ความร้อนของการละลาย (HSoln) - กระบวนการละลายของตัวถูกละลายในตัวทำละลาย ประกอบด้วย  การทำลายแรงยึดเหนี่ยวSolvent-SolventและSolute-Solute  Hdissมีค่าบวก ดูดพลังงาน  การเกิดแรงยึดเหนี่ยวSolvent-Solute  Hbindมีค่าลบ คายพลังงาน ความร้อนของการละลาย Hsoln = Hdiss + Hbind - Hsoln เป็นบวก  ดูดความร้อน - Hsoln เป็นลบ  คายความร้อน

36. Hdiss1 Solute Solvent Hbind Hdiss2 Solution ขั้นตอนการเกิดสารละลาย Hdiss1 Endothermic (+) Hdiss2 Endothermic (+) Hbind Exothermic (-) NaCl(s) + H2O(l)  NaCl(aq) Hsoln= Hdiss(NaCl) + Hdiss(H2O) + Hbind(NaCl)

37. สภาพการละลายได้ (Solubility) สภาพการละลายได้คือ จำนวนกรัมของตัวถูกละลายที่ มากที่สุดที่ละลายได้ในตัวทำละลาย 100 กรัม ในสภาวะสมดุล - สภาพการละลายได้ขึ้นกับ ชนิดของตัวทำละลาย ชนิดของตัวถูกละลาย อุณหภูมิ และ ความดัน

38. สภาพการละลายได้ (Solubility) - สำหรับสารละลายน้ำ (aqueous)

39. NaCl(s) Na+(aq) + Cl-(aq) สารละลายอิ่มตัว (Saturated Solution) สารละลายอิ่มตัวคือ สารละลายที่มีปริมาณตัวถูกละลาย ละลายอยู่มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ที่อุณหภูมินั้นๆ - สมดุลระหว่างตัวถูกละลายในสภาวะของแข็ง และ aqueous - ถ้าตัวถูกละลายตกตะกอนแสดงว่าสารละลายอิ่มตัวแล้ว  ความเข้มข้นของตัวถูกละลาย < สภาพละลายได้  ตัวถูกละลายสามารถละลายเพิ่มได้อีก  ความเข้มข้นของตัวถูกละลาย = สภาพละลายได้  สารละลายอิ่มตัว ไม่มีตะกอน  ความเข้มข้นของตัวถูกละลาย > สภาพละลายได้  สารละลายอิ่มตัวมีตะกอน

40. การเกิดผลึก (crystallization) ของสารละลาย supersaturated sodium acetate เมื่อใส่ผลึก sodium acetate (seeding)ในสารละลาย สารละลายอิ่มตัวยวดยิ่ง (Supersaturated Solution) สารละลายอิ่มตัวยวดยิ่งคือ สารละลายที่มีความเข้มข้น ของตัวถูกละลายสูงกว่าสภาพการละลายได้ - อยู่ในสภาวะกึ่งเสถียร - เมื่อสารละลายอิ่มตัวยวดยิ่งถูกรบกวน ตัวถูกละลาย จะตกตะกอนและเปลี่ยนเป็นสารละลายอิ่มตัว

41. * *H2O 100 mL = 100 g สภาพละลายได้และอุณหภูมิ - การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิมีผลโดยตรงต่อสภาพละลายได้และการตกตะกอนของสารละลาย

42. ปัจจัยที่มีผลต่อสภาพการละลายปัจจัยที่มีผลต่อสภาพการละลาย 1. ชนิดของตัวถูกละลายและตัวทำละลาย แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคขึ้นอยู่กับชนิดของสาร - สารมีขั้ว ดึงดูดกันด้วย แรงแบบมีขั้ว (มีค่าสูง) - สารไม่มีขั้ว ดึงดูดกันด้วย แรงแบบไม่มีขั้ว (มีค่าต่ำ) ถ้าแรงดึงดูดระหว่างตัวทำละลายและแรงดึงดูดระหว่าง ตัวถูกละลายเป็นชนิดเดียวกัน หรือ มีค่าใกล้เคียงกัน สารทั้งสอง จะละลายกันได้ แรงระหว่างสารมีขั้วด้วยกัน คือ dipole – dipole interaction, Hydrogen bond และ Electrostatic interaction

43. ปัจจัยที่มีผลต่อสภาพการละลายปัจจัยที่มีผลต่อสภาพการละลาย แรงระหว่างสารไม่มีขั้วด้วยกันคือ Van der Waals interaction “Like dissolve like”

44. การละลายของสารประกอบไอออนิกการละลายของสารประกอบไอออนิก สารประกอบไอออนิกส่วนใหญ่ละลายน้ำได้ (น้ำมีขั้ว) เนื่องจากแรงดึงดูดระหว่างน้ำและไอออน - ขั้วลบของน้ำ : ไอออนบวก - ขั้วบวกของน้ำ : ไอออนลบ  เกลือไอออนิกบางชนิดละลายน้ำได้น้อยหรือไม่ละลาย เนื่องจากแรงดึงดูดระหว่างไอออนบวกและไอออนลบ มีค่าสูงมาก เช่น AgCl, Hg2Cl2, PbCl2, BaSO4, PbSO4, SrSO4 (AgCl 0.0018 g / น้ำ 1 ลิตร ที่ 25 oC)

45. การละลายของสารประกอบไอออนิกการละลายของสารประกอบไอออนิก

46. การละลายของสารประกอบไอออนิกการละลายของสารประกอบไอออนิก มีพลังงานเกี่ยวข้อง 2 ขั้นตอน ดังนี้ 1. พลังงานแลตทิช (Lattice energy, ΔHlatt) คือ พลังงานที่ใช้ทำลายแรงดึงดูดระหว่างไอออนบวกและไอออนลบในโครงผลึกของแข็งให้แยกออกจากกันเป็นไอออนอิสระ เช่น KCl(s)  K+(g) + Cl-(g) ΔHlatt = +690 kJ/mol 2. พลังงานไฮเดรชัน (Hydration energy, ΔHhyd) คือ พลังงานที่คายออกมาเมื่อโมเลกุลของน้ำเข้าไปห้อมล้อมไอออนบวกและไอออนลบ เช่น H2O K+(g) + Cl-(g)  K+(H2O)x + Cl-(H2O)yΔHhyd = -686 kJ/mol

47. การละลายของสารประกอบไอออนิกการละลายของสารประกอบไอออนิก เมื่อนำพลังงานทั้ง 2 ขั้นตอนรวมกัน จะได้ ΔHsoln KCl(s)  K+(g) + Cl-(g) ΔHlatt = +690 kJ/mol H2O K+(g) + Cl-(g)  K+(H2O)x + Cl-(H2O)y ΔHlatt = -686 kJ/mol KCl(s)  K+(H2O)x + Cl-(H2O)y 1) + 2) = ΔHsoln = ΔHlatt+ΔHhyd = 690 – 686 = +4 kJ/mol ดูดความร้อน

48. การละลายของสารประกอบไอออนิกการละลายของสารประกอบไอออนิก ΔHsoln = ΔHlatt+ΔHhyd ΔHlatt>ΔHhyd;ΔHsolnเป็น + ดูดความร้อน ΔHlatt<ΔHhyd;ΔHsolnเป็น - คายความร้อน

49. Solubility (g solute / 100 g H2O) ปัจจัยที่มีผลต่อสภาพการละลาย 2. อุณหภูมิ เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยน สารจะละลายมากขึ้นหรือน้อยลง ขึ้นกับว่าเป็นกระบวนการดูดหรือคายความร้อน - ปฏิกิริยาดูดความร้อน (H=+)เพิ่ม T สารละลายมากขึ้น - ปฏิกิริยาคายความร้อน (H=-)เพิ่ม T สารละลายน้อยลง

50. สารละลายสมบูรณ์แบบ (Ideal Solution) ถ้าพลังงานที่ใช้ในการแยกตัวถูกละลายและแยกตัว ทำละลาย (Hdiss) มีขนาดเท่ากับพลังงานที่คายออกมา เมื่อตัวถูกละลายและตัวทำละลายดึงดูดกัน (Hbind) Hsoln= Hdiss + Hbind = 0 สารละลายที่ได้เรียกว่า สารละลายสมบูรณ์แบบ หรือสารละลายอุดมคติ (Ideal Solution)  Hsoln = 0  ideal solution  Hsoln  0  non-ideal solution