Stężenie procentowe, stężenie molowe, rozpuszczalność i rozdzielanie mieszanin
Podstawa programowa wymaga, żebyś odróżniał układy homogeniczne od heterogenicznych, obliczał stężenia procentowe i molowe, przygotowywał, rozcieńczał i zatężał roztwory, posługiwał się pojęciem rozpuszczalności oraz opisywał sposoby rozdzielania roztworów i mieszanin niejednorodnych. Tak przygotujesz się do tej części matury z chemii na poziomie rozszerzonym.
Na maturze 2023–2026: w 3 z 4 sesji – 2023 (zadanie 15), 2024 (zadanie 10), 2026 (zadanie 11.2).
W skrócie
najważniejsze w kilku zdaniach
Układ homogeniczny ma jedną fazę (roztwór właściwy), heterogeniczny kilka (zawiesina, emulsja).
Stężenie procentowe to cp=mrms⋅100%, molowe to cm=Vn w mol⋅dm−3.
Przeliczenie: cm=Mcp⋅d⋅10 przy cp w procentach i d w g⋅cm−3.
Rozpuszczalność to masa substancji w 100 g wody w roztworze nasyconym; cp takiego roztworu to 100+SS⋅100%.
Egzamin maturalny z chemii na poziomie rozszerzonym trwa 180 minut; za cały arkusz można uzyskać 60 punktów. W arkuszu jest około 45 poleceń: zadania zamknięte (wielokrotnego wyboru, prawda–fałsz, na dobieranie) i otwarte (z luką, krótkiej i rozszerzonej odpowiedzi), w tym co najmniej jedno zadanie problemowe za 4–5 punktów. Podczas egzaminu możesz korzystać z „Wybranych wzorów i stałych fizykochemicznych”, linijki i kalkulatora naukowego.
Układy homogeniczne, heterogeniczne i emulsje
Układ homogeniczny ma w całej objętości te same właściwości, bo tworzy jedną fazę: tak jest w roztworze właściwym, np. chlorku sodu w wodzie. Układ heterogeniczny składa się z kilku faz oddzielonych granicami. Zawiesina to drobinki ciała stałego rozproszone w cieczy, a emulsja to kropelki jednej cieczy rozproszone w drugiej, z którą się ona nie miesza.
Emulsję otrzymasz, intensywnie wstrząsając dwiema niemieszającymi się cieczami, np. olejem i wodą. Bez dodatku emulgatora szybko się rozwarstwia, bo kropelki łączą się z powrotem. Emulgator, np. mydło, ma w cząsteczce część wiążącą się z wodą i część wiążącą się z olejem, więc osadza się na granicy faz i stabilizuje kropelki.
Układ
Fazy
Przykład
Filtracja rozdziela?
roztwór właściwy
jedna
chlorek sodu w wodzie
nie
zawiesina
dwie: stała i ciekła
kreda w wodzie
tak
emulsja
dwie ciekłe
olej w wodzie z mydłem
nie
Stężenie procentowe i molowe: przeliczanie i rozcieńczanie
Stężenie procentowe to masa substancji rozpuszczonej w 100 jednostkach masy roztworu, a stężenie molowe to liczba moli substancji w 1dm3 roztworu. Aby przejść od jednego do drugiego, weź 1dm3 roztworu: jego masa to 1000⋅d gramów przy gęstości d w g⋅cm−3. Stąd cm=Mcp⋅d⋅10, gdy cp podajesz w procentach, a M w g⋅mol−1.
Roztwór wodorotlenku sodu o stężeniu 20,0 % i gęstości 1,22g⋅cm−3 (dane zadania) ma w 1dm3 masę 1220 g, w tym 244 g NaOH. Przy masie molowej 40,0g⋅mol−1 to 6,10mol, więc cm=6,10mol⋅dm−3. Aby przygotować z niego 250cm3 roztworu o stężeniu 0,500mol⋅dm−3, odmierz 6,100,250⋅0,500=0,0205dm3, czyli 20,5cm3, i dopełnij wodą. Przy rozcieńczaniu liczba moli substancji się nie zmienia.
Sól podana jako hydrat wnosi do roztworu także wodę krystalizacyjną. Do 250 g roztworu węglanu sodu o stężeniu 5,00 % potrzeba 12,5 g soli bezwodnej. Masy molowe 106g⋅mol−1 dla NaX2COX3 i 286g⋅mol−1 dla NaX2COX3⋅10HX2O dają 12,5⋅106286=33,7g hydratu. Wody dodasz 250−33,7=216g, bo woda z hydratu wchodzi do masy roztworu.
Rozpuszczalność, roztwór nasycony i krystalizacja
Rozpuszczalność to masa substancji, która w danej temperaturze rozpuszcza się w 100 g rozpuszczalnika, dając roztwór nasycony. Taki roztwór zawiera tyle substancji, ile może się w nim rozpuścić, i pozostaje w równowadze z jej nadmiarem. Rozpuszczalność zależy od temperatury; krzywą takiej zależności dla soli pokazuje wykres (dane umowne).
Stężenie procentowe roztworu nasyconego nie jest równe rozpuszczalności, bo masa roztworu to 100g+S:cp=100+SS⋅100%. W 60∘C, przy S=40g, jest to 28,6%.
Ile soli wykrystalizuje, gdy 280 g roztworu nasyconego ochłodzisz z 60∘C do 20∘C? W 280 g jest 200 g wody i 80,0 g soli. W 20∘C w 200 g wody zostaje 20,0 g soli (S=10g na 100 g), więc wykrystalizuje 60,0 g, o ile sól nie tworzy hydratu, a woda nie odparowuje.
Rozdzielanie roztworów i mieszanin niejednorodnych
Roztworu właściwego nie rozdzielisz na sączku, bo jest jedną fazą. Wykorzystujesz różnicę właściwości składników. Substancję stałą rozpuszczoną w cieczy odzyskasz, odparowując rozpuszczalnik lub krystalizując ją po ochłodzeniu. Ciecze o różnych temperaturach wrzenia rozdzielisz destylacją. W ekstrakcji substancja rozpuszczona przechodzi z jednej cieczy do drugiej, niemieszającej się z pierwszą, w której rozpuszcza się lepiej.
W chromatografii składniki mieszaniny przemieszczają się z różną szybkością wzdłuż nośnika, np. paska bibuły, i rozdzielają się na plamy. Tak rozdzielisz barwniki z liści roślin. Elektroforeza rozdziela naładowane cząsteczki, np. aminokwasy i białka, bo w polu elektrycznym poruszają się z różną szybkością. Zawiesinę ciała stałego w cieczy rozdzielisz przez filtrację, a dwie substancje stałe o różnej rozpuszczalności w wodzie – rozpuszczając jedną z nich i filtrując.
Metoda
Co rozdziela
Różnica wykorzystana
filtracja
zawiesinę ciała stałego w cieczy
wielkość cząstek
krystalizacja, odparowanie
ciało stałe od rozpuszczalnika
lotność rozpuszczalnika, rozpuszczalność
destylacja
ciecze mieszające się ze sobą
temperatura wrzenia
ekstrakcja
substancję rozpuszczoną w dwóch cieczach
rozpuszczalność w dwóch cieczach
chromatografia
składniki barwnika, mieszaniny związków
szybkość przemieszczania wzdłuż nośnika
elektroforeza
cząsteczki obdarzone ładunkiem
szybkość ruchu w polu elektrycznym
Doświadczenie
obserwacje i wniosek
Doświadczenie z tego działu tak, jak opisuje je CKE: cel, odczynniki, obserwacje, równanie reakcji i wniosek.
Doświadczenie 1
Cel doświadczenia
Sporządzenie 100 g roztworu chlorku sodu o stężeniu 5,00 % oraz 250cm3 roztworu o stężeniu 0,100mol⋅dm−3.
Odczynniki
chlorek sodu, woda destylowana, zlewka, kolba miarowa o pojemności 250cm3, waga
Obserwacje
Odważone 5,00g soli rozpuściło się w 95,0g wody. Odważone 1,46g soli rozpuszczono w niewielkiej ilości wody, roztwór przeniesiono do kolby i dopełniono wodą do kreski. W obu przypadkach otrzymano klarowny, bezbarwny roztwór.
Równanie reakcji
NaClNaX++ClX−
Wniosek
Stężenie procentowe wynosi 1005,00⋅100%=5,00%, a stężenie molowe 0,250dm31,46g/58,4g⋅mol−1=0,100mol⋅dm−3. Objętość roztworu wyznacza kolba, a nie objętość użytej wody.
Doświadczenie 2
Cel doświadczenia
Rozdzielenie mieszaniny węglanu wapnia i chlorku sodu i wykazanie obecności obu składników.
Odczynniki
mieszanina CaCOX3 i NaCl, woda, kwas solny, roztwór AgNOX3, lejek z sączkiem
Obserwacje
Po zmieszaniu z wodą i przesączeniu na sączku został biały osad, a przesącz jest klarowny. Po dodaniu roztworu azotanu(V) srebra do przesączu wytrącił się biały osad. Po dodaniu kwasu solnego do osadu z sączka wydzielił się bezbarwny gaz.
Równanie reakcji
przesącz: AgX++ClX−AgCl; osad z sączka: CaCOX3+2HX+CaX2++COX2+HX2O
Wniosek
Chlorek sodu rozpuścił się w wodzie i przeszedł do przesączu, o czym świadczy osad chlorku srebra, a na sączku pozostał nierozpuszczalny w wodzie węglan wapnia, o czym świadczy gaz wydzielony po dodaniu kwasu. Mieszaninę rozdzielono dzięki różnej rozpuszczalności składników w wodzie.
W minimalnym zestawie doświadczeń podstawy programowej:
8.sporządzanie roztworów o określonym stężeniu procentowym i molowym
9.rozdzielanie mieszaniny niejednorodnej i jednorodnej na składniki (np. ekstrakcja i rozdzielanie chromatograficzne barwników roślinnych)
Pojęcia
układ homogeniczny
Układ, w którym w całej objętości właściwości są jednakowe; tworzy jedną fazę, np. roztwór właściwy.
układ heterogeniczny
Układ złożony z kilku faz oddzielonych granicami, np. zawiesina albo emulsja.
emulsja
Układ dwóch niemieszających się cieczy, w którym jedna jest rozproszona w drugiej w postaci kropelek.
stężenie procentowe
Masa substancji rozpuszczonej w 100 jednostkach masy roztworu, w procentach.
stężenie molowe
Liczba moli substancji rozpuszczonej w jednostce objętości roztworu, w mol⋅dm−3.
rozpuszczalność
Masa substancji, która w danej temperaturze rozpuszcza się w 100 g rozpuszczalnika, dając roztwór nasycony.
roztwór właściwy
Jednorodna mieszanina, w której substancja rozpuszczona występuje w postaci pojedynczych cząsteczek lub jonów.
ekstrakcja
Rozdzielanie składników przez przeniesienie substancji z jednej cieczy do drugiej, w której rozpuszcza się lepiej.
chromatografia
Rozdzielanie składników mieszaniny dzięki różnej szybkości ich przemieszczania się wzdłuż nośnika.
elektroforeza
Rozdzielanie naładowanych cząsteczek dzięki różnej szybkości ich ruchu w polu elektrycznym.
Zadanie z matury
źródło: CKE
Prawdziwe zadanie z arkusza CKE, słowo w słowo, z materiałem źródłowym. Rozwiąż je, zanim zajrzysz do wyjaśnienia.
Zadanie z arkusza CKEmatura
Matura 2024, chemia (poziom rozszerzony), zadanie 10
Zadanie 10. (0–2 pkt)
W 150cm3 wodnego roztworu chlorku manganu(II) o stężeniu molowym c=0,678mol⋅dm−3 i gęstości d=1,07g⋅cm−3 rozpuszczono 6,00g hydratu tej soli o wzorze MnClX2⋅4HX2O.
Na podstawie: Z. Dobkowska, K.M. Pazdro, Szkolny poradnik chemiczny, Warszawa 2020.
Oblicz, jaki procent masy otrzymanego roztworu stanowi masa chlorku manganu(II). Załóż, że objętość roztworu się nie zmieniła. Przyjmij wartości mas molowych: MMnClX2=126g⋅mol−1 oraz MMnClX2⋅4HX2O=198g⋅mol−1.
Źródło: CKE, egzamin maturalny 2024, chemia, poziom rozszerzony (arkusz MCHP-R0-100-2405), zadanie 10. Rozwiązanie — według zasad oceniania CKE. · Arkusz na stronie CKE
Zasady oceniania CKE
1 pkt – zastosowanie poprawnej metody, ale: popełnienie błędów rachunkowych prowadzących do błędnego wyniku liczbowego LUB podanie wyniku nie w procentach ALBO zastosowanie poprawnej metody prowadzącej do obliczenia wartości masy MnCl2 w otrzymanym roztworze.1 pkt
2 pkt – zastosowanie poprawnej metody, poprawne wykonanie obliczeń prowadzących do wartości stężenia oraz podanie wyniku w procentach.1 pkt
Rozwiązanie i przykładowe odpowiedzi według CKE
Masa roztworu: mr1=150cm3⋅1,07g⋅cm−3=160,5g.
MnClX2 w roztworze: n=0,678⋅0,150=0,1017mol,m=0,1017⋅126=12,81g.
MnClX2 w hydracie: m=198126⋅6,00=3,82g.
cp=160,5+6,0012,81+3,82⋅100%=9,99%≈10%.
Wyjaśnienie od Kleksy
Hydrat wnosi do roztworu i sól, i wodę, więc masę soli oraz masę roztworu liczysz osobno. Roztwór wyjściowy ma masę 150cm3⋅1,07g⋅cm−3=160,5g. Soli jest w nim 0,678mol⋅dm−3⋅0,150dm3=0,1017mol, czyli 0,1017⋅126=12,81g chlorku manganu(II).
W 6,00g hydratu jest 6,00⋅198126=3,82g soli bezwodnej. Cała masa hydratu zwiększa masę roztworu do 160,5+6,00=166,5g. Stąd cp=166,512,81+3,82⋅100%=9,99%, czyli około 10 %. Dodanie do masy soli całej masy hydratu daje 11,3 %, a pominięcie masy hydratu w masie roztworu 10,4 %; oba wyniki są błędem metody.
Według zasad oceniania CKE: 2 punkty za poprawną metodę, poprawne obliczenia i wynik w procentach; 1 punkt za poprawną metodę z błędem rachunkowym albo wynik nie w procentach, a także za poprawne obliczenie masy chlorku manganu(II) w otrzymanym roztworze.
Przykładowa odpowiedź: chlorek manganu(II) stanowi 9,99 % (około 10 %) masy otrzymanego roztworu.
Sprawdź się
sprawdzisz od razu
Zaznacz lub wpisz odpowiedź i sprawdź ją od razu: pod zadaniem zobaczysz wyjaśnienie. Jak ocenia CKE: w zadaniu obliczeniowym liczy się metoda, wynik z jednostką i poprawne zaokrąglenie — zwykle do trzech cyfr znaczących. Równanie reakcji musi być zapisane w formie, o którą prosi polecenie (cząsteczkowej, jonowej albo jonowej skróconej), z poprawnymi współczynnikami.
matura
Zadanie 11.
W celu oznaczenia stężenia określonych jonów w roztworze należy strącić je całkowicie w postaci trudno rozpuszczalnego osadu, który po odsączeniu suszy się i praży do uzyskania stałej masy. Tę metodę stosuje się m.in. w oznaczaniu zawartości jonów żelaza(III) w badanej próbce.
W wyniku reakcji strącania jonów FeX3+ za pomocą nadmiaru jonów wodorotlenkowych z roztworu wydziela się uwodniony tlenek żelaza(III):
2FeX3++6OHX−FeX2OX3⋅3HX2O↓
Wyodrębniony ilościowo osad praży się w temperaturze ok. 1000∘C do uzyskania bezwodnego FeX2OX3.
Na podstawie: J. Minczewski, Z. Marczenko, Chemia analityczna, Warszawa 2022.
Zadanie 11.2. (0–1)
/1
Dokończ zdanie. Wybierz właściwą odpowiedź spośród podanych.
Aby ilościowo wyodrębnić uwodniony tlenek żelaza(III) z badanego roztworu, należy wykonać
Mylenie masy roztworu z masą rozpuszczalnika. W stężeniu procentowym w mianowniku jest masa roztworu, czyli substancji wraz z rozpuszczalnikiem.
Traktowanie rozpuszczalności jak stężenia procentowego. Rozpuszczalność odnosi się do 100 g wody, stężenie procentowe do 100 g roztworu.
Pominięcie wody krystalizacyjnej hydratu. Tylko część jego masy to sól, a cała masa wchodzi do roztworu.
Wstawienie gęstości w g⋅cm−3 do wzoru przeznaczonego na g⋅dm−3 bez przeliczenia. Wynik różni się wtedy tysiąckrotnie.
Dobór metody rozdzielania bez sprawdzenia, czym różnią się składniki mieszaniny. Roztworu właściwego nie rozdzieli sączek, a zawiesiny nie rozdzieli ekstrakcja.
Zapamiętaj
cm=Mcp⋅d⋅10 przy d w g⋅cm−3 i cp w procentach.
Przy rozcieńczaniu liczba moli substancji się nie zmienia: nprzed=npo.
Roztwór nasycony: cp=100+SS⋅100%.
Hydrat: do masy soli wlicz tylko część bezwodną, do masy roztworu całość.
Metoda rozdzielania zależy od różnicy właściwości składników.
Pytania i odpowiedzi
1.Jak przeliczyć stężenie procentowe na molowe?+
Odp.:Weź 1dm3 roztworu i policz jego masę z gęstości: 1000⋅d gramów, gdy d jest w g⋅cm−3. Pomnóż ją przez stężenie procentowe, aby otrzymać masę substancji, i podziel przez masę molową. Otrzymana liczba moli w 1dm3 jest stężeniem molowym. Dla wodorotlenku sodu z poprzedniego bloku wychodzi 6,10mol⋅dm−3.
2.Dlaczego hydrat zwiększa masę roztworu, a nie tylko masę substancji?+
Odp.:Hydrat to sól z cząsteczkami wody w sieci krystalicznej, np. NaX2COX3⋅10HX2O. Po rozpuszczeniu sól przechodzi do roztworu, a woda krystalizacyjna miesza się z rozpuszczalnikiem. Jako substancję rozpuszczoną liczysz więc samą sól bezwodną, a masę roztworu zwiększa cały dodany hydrat razem z wodą.
3.Czym różni się roztwór nasycony od stężonego?+
Odp.:Roztwór nasycony zawiera w danej temperaturze największą możliwą ilość substancji i jest w równowadze z jej nadmiarem. Stężony ma dużo substancji rozpuszczonej, ale może jeszcze przyjąć więcej. Dla substancji słabo rozpuszczalnych roztwór nasycony bywa rozcieńczony, np. dla węglanu wapnia, a dla bardzo dobrze rozpuszczalnych roztwór stężony może być daleki od nasycenia.
4.Jak policzyć, ile substancji wykrystalizuje po ochłodzeniu?+
Odp.:Z rozpuszczalności w wyższej temperaturze ustal masę wody i soli w danej masie roztworu nasyconego. Potem odczytaj rozpuszczalność w niższej temperaturze i oblicz, ile soli może pozostać w tej samej ilości wody. Różnica to masa kryształów. W przykładzie z wykresu z 280 g roztworu wykrystalizuje 60,0 g soli.
5.Czym różni się ekstrakcja od chromatografii?+
Odp.:Ekstrakcja przenosi substancję z jednej cieczy do drugiej, bo rozpuszcza się w niej lepiej, i zwykle rozdziela dwie grupy składników. Chromatografia rozdziela wiele składników naraz, bo każdy porusza się wzdłuż nośnika z inną szybkością, zależną od jego oddziaływań z nośnikiem i rozpuszczalnikiem. W obu metodach liczy się różnica właściwości składników.
6.Dlaczego emulsja się rozwarstwia?+
Odp.:Kropelki jednej cieczy rozproszone w drugiej mają dużą powierzchnię granicy faz i łączą się w większe, aż powstają dwie warstwy. Rozwarstwianie spowalnia emulgator, np. mydło lub detergent, którego cząsteczka ma część polarną i niepolarną i osadza się na powierzchni kropelek.
Serwis nie jest związany z Centralną Komisją Egzaminacyjną. Zadania oznaczone „CKE” pochodzą z arkuszy CKE; objaśnienia do nich i pozostałe zadania na stronie napisaliśmy sami.
Rozwiąż za darmo cały arkusz CKE z matury z chemii (poziom rozszerzony) z maja 2026 roku – 180 minut, jak na egzaminie. Po oddaniu zobaczysz wynik i to, w którym dziale tracisz punkty.