Ταξινόμηση της Ύλης – Διαλύματα 💧

Ταξινόμηση της ύλης

Η ύλη — τα εκατομμύρια ουσιών που μας περιβάλλουν — μπορεί να ταξινομηθεί σε δύο μεγάλες κατηγορίες: τις καθαρές ουσίες και τα μίγματα.

Καθαρές ουσίες και μίγματα

Καθαρές ή καθορισμένες ουσίες είναι εκείνες που, ανεξάρτητα από τον τρόπο παρασκευής τους, έχουν καθορισμένη σύσταση και ιδιότητες. Το νερό ($H_2O$), η ζάχαρη ($C_{12}H_{22}O_{11}$), το οινόπνευμα ($C_2H_5OH$), το οξυγόνο ($O_2$) και ο σίδηρος (Fe) είναι καθαρές ουσίες. Το νερό, για παράδειγμα, έχει καθορισμένη σύσταση — αποτελείται πάντα από υδρογόνο και οξυγόνο σε αναλογία μαζών 1:8.

Τα μίγματα έχουν μεταβλητή σύσταση, ανάλογα με τον τρόπο παρασκευής τους και την προέλευσή τους. Οι περισσότερες ουσίες που συναντάμε είναι μίγματα, όπως το γάλα, το λάδι, το θαλασσινό νερό και ο ατμοσφαιρικός αέρας. Ο ατμοσφαιρικός αέρας, για παράδειγμα, δεν έχει παντού την ίδια σύσταση — ο αέρας της πόλης διαφέρει από τον αέρα του βουνού.

Στοιχεία και χημικές ενώσεις

Οι καθαρές ουσίες διακρίνονται σε χημικά στοιχεία και χημικές ενώσεις.

Στοιχεία είναι οι απλές ουσίες, αυτές που δεν μπορούν να διασπαστούν σε απλούστερες. Σήμερα είναι γνωστά 112 στοιχεία, από τα οποία τα 88 υπάρχουν στη φύση, ενώ τα υπόλοιπα είναι τεχνητά. Το χαρακτηριστικό γνώρισμα των στοιχείων είναι ότι τα μόριά τους αποτελούνται από άτομα του ίδιου είδους.

Στοιχείο ή χημικό στοιχείο ονομάζεται η καθαρή ουσία που δεν διασπάται σε απλούστερη και αποτελείται από ένα είδος ατόμων (άτομα με τον ίδιο ατομικό αριθμό).

Τα στοιχεία, συνδυαζόμενα, δίνουν εκατομμύρια χημικές ενώσεις. Για παράδειγμα, ο άνθρακας καίγεται με το οξυγόνο και παράγεται διοξείδιο του άνθρακα. Οι χημικές ενώσεις έχουν το χαρακτηριστικό ότι μπορούν να διασπαστούν σε άλλες, απλούστερες ουσίες, και τα μόριά τους αποτελούνται από διαφορετικά είδη ατόμων — το διοξείδιο του άνθρακα, για παράδειγμα, αποτελείται από άτομα C και O.

Χημικές ενώσεις είναι καθαρές ουσίες που μπορούν να διασπαστούν σε άλλες, απλούστερες, και αποτελούνται από δύο τουλάχιστον είδη ατόμων (άτομα με διαφορετικό ατομικό αριθμό).

Ομογενή και ετερογενή μίγματα

Τα ομογενή μίγματα (διαλύματα) είναι ομοιόμορφα μίγματα, δηλαδή έχουν την ίδια σύσταση και τις ίδιες ιδιότητες σε όλη τους την έκταση. Χαρακτηριστικό τους είναι ότι δεν μπορούμε να διακρίνουμε τα συστατικά τους — για παράδειγμα, στο νερό της θάλασσας δεν μπορούμε να διακρίνουμε το αλάτι.

Τα ετερογενή μίγματα είναι ανομοιόμορφα, δηλαδή δεν έχουν την ίδια σύσταση σε όλη τους την έκταση. Σε αυτά διακρίνουμε συχνά τα συστατικά τους και τις διαφορετικές τους ιδιότητες, π.χ. λάδι με νερό. Τα ομογενή μέρη ενός τέτοιου μίγματος ονομάζονται φάσεις. Στο παράδειγμα λαδιού-νερού διακρίνουμε τη φάση του λαδιού (που επιπλέει) και τη φάση του νερού (που βρίσκεται από κάτω).

Διαλύματα – Περιεκτικότητες διαλυμάτων

Γενικά για τα διαλύματα

Διάλυμα είναι ένα ομογενές μίγμα δύο ή περισσότερων ουσιών, οι οποίες αποτελούν τα συστατικά του διαλύματος. Από τα συστατικά αυτά, εκείνο που έχει την ίδια φυσική κατάσταση με το διάλυμα και βρίσκεται συνήθως σε περίσσεια ονομάζεται διαλύτης. Τα υπόλοιπα συστατικά ονομάζονται διαλυμένες ουσίες.

Τα διαλύματα διακρίνονται σε αέρια (π.χ. ατμοσφαιρικός αέρας), υγρά (π.χ. θαλασσινό νερό) και στερεά (π.χ. μεταλλικά νομίσματα). Μπορούν επίσης να ταξινομηθούν σε μοριακά διαλύματα, στα οποία η διαλυμένη ουσία βρίσκεται σε μορφή μορίων, και σε ιοντικά ή ηλεκτρολυτικά διαλύματα, στα οποία η διαλυμένη ουσία βρίσκεται με τη μορφή ιόντων.

Τα πιο συνηθισμένα διαλύματα είναι τα υδατικά, στα οποία ο διαλύτης είναι το νερό. Σε αυτά, η διαλυμένη ουσία μπορεί να είναι αέριο (π.χ. διοξείδιο του άνθρακα στην κόκα-κόλα), στερεό (π.χ. χλωριούχο νάτριο στο νερό της θάλασσας) ή υγρό (π.χ. οινόπνευμα στο κρασί). Ο διαλύτης μπορεί επίσης να είναι οργανική ουσία, όπως η ακετόνη, το βενζόλιο, ο αιθέρας, η βενζίνη ή ο τετραχλωράνθρακας.

Εκφράσεις περιεκτικότητας

Διαβάζοντας στην ετικέτα ενός εμφιαλωμένου κρασιού την ένδειξη 12° (12 αλκοολικοί βαθμοί), καταλαβαίνουμε σε ποια αναλογία βρίσκεται το οινόπνευμα στο κρασί — έχουμε δηλαδή μία ένδειξη της περιεκτικότητας του διαλύματος. Χρησιμοποιούμε επίσης τους ποιοτικούς όρους πυκνό και αραιό για διαλύματα σχετικά μεγάλης ή μικρής περιεκτικότητας αντίστοιχα. Αν ένα διάλυμα περιέχει περισσότερες από μία διαλυμένες ουσίες, θα έχει τόσες περιεκτικότητες όσες είναι και οι διαλυμένες ουσίες του.

Η περιεκτικότητα ενός διαλύματος εκφράζεται συνήθως με τους εξής τρόπους:

1. Περιεκτικότητα στα εκατό κατά βάρος (% w/w): εκφράζει τη μάζα (σε g) της διαλυμένης ουσίας σε 100 g διαλύματος. Π.χ. διάλυμα ζάχαρης 8% w/w σημαίνει ότι περιέχονται 8 g ζάχαρης στα 100 g διαλύματος.
2. Περιεκτικότητα στα εκατό βάρους κατ' όγκο (% w/v): εκφράζει τη μάζα (σε g) της διαλυμένης ουσίας σε 100 mL διαλύματος. Π.χ. διάλυμα $NaCl$ 10% w/v σημαίνει ότι περιέχονται 10 g $NaCl$ στα 100 mL διαλύματος.
3. Περιεκτικότητα στα εκατό όγκου σε όγκο (% v/v): εκφράζει τον όγκο (σε mL) της διαλυμένης ουσίας σε 100 mL διαλύματος. Χρησιμοποιείται σε ειδικότερες περιπτώσεις:
   • Για να εκφράσει την περιεκτικότητα υγρού σε υγρό — π.χ. η ένδειξη στη μπίρα 3% v/v (ή 3°) σημαίνει ότι περιέχονται 3 mL οινοπνεύματος στα 100 mL μπίρας.
   • Για να εκφράσει την περιεκτικότητα αερίου σε αέριο μίγμα — π.χ. η έκφραση ότι ο αέρας έχει περιεκτικότητα 20% v/v σε οξυγόνο σημαίνει ότι περιέχονται 20 $cm^3$ οξυγόνου στα 100 $cm^3$ αέρα.
4. ppm: εκφράζει τα μέρη της διαλυμένης ουσίας που περιέχονται σε 1 εκατομμύριο ($10^6$) μέρη διαλύματος.
5. ppb: εκφράζει τα μέρη της διαλυμένης ουσίας που περιέχονται σε 1 δισεκατομμύριο ($10^9$) μέρη διαλύματος.

Διαλυτότητα

Σε 100 g $H_2O$ στους 20 °C μπορούμε να διαλύσουμε το πολύ 35,5 g στερεού χλωριούχου νατρίου (NaCl), ενώ μπορούμε να διαλύσουμε το πολύ 0,00016 g στερεού χλωριούχου αργύρου (AgCl). Λέμε λοιπόν ότι το NaCl είναι μια ευδιάλυτη ουσία με μεγάλη διαλυτότητα, ενώ ο AgCl είναι μια δυσδιάλυτη ουσία με πολύ μικρή διαλυτότητα.

Διαλυτότητα ορίζεται η μέγιστη ποσότητα μιας ουσίας που μπορεί να διαλυθεί σε ορισμένη ποσότητα διαλύτη, κάτω από ορισμένες συνθήκες (π.χ. θερμοκρασία).

Τα διαλύματα που περιέχουν τη μέγιστη ποσότητα διαλυμένης ουσίας ονομάζονται κορεσμένα διαλύματα. Τα διαλύματα που περιέχουν μικρότερη ποσότητα διαλυμένης ουσίας από τη μέγιστη δυνατή ονομάζονται ακόρεστα.

Παράγοντες που επηρεάζουν τη διαλυτότητα

1. Η φύση του διαλύτη: Ισχύει ο γενικός κανόνας «τα όμοια διαλύουν όμοια» — διαλύτης και διαλυμένη ουσία πρέπει να έχουν παραπλήσια χημική δομή (π.χ. μοριακή ή ιοντική σύσταση).
2. Η θερμοκρασία: Συνήθως η διαλυτότητα των στερεών στο νερό αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, ενώ η διαλυτότητα των αερίων στο νερό μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας.
3. Η πίεση: Η διαλυτότητα των αερίων στο νερό αυξάνεται με την αύξηση της πίεσης.