Ch.16 sections 1 and 2 notes with notations

1

April 12, 2018

Mar 26­11:47 AM

CHAPTER 16 Solutions

Mar 26­11:47 AM

16.1  Solution Formation• Solutions can be either solids, liquids, or gases

• Solutions are homogeneous mixtures that are grouped according to physical state. (mixtures = no bonding)

• The nature of solvent and solute affects whether a substance will dissolve.

Mar 26­11:45 AM

• Solvation is a surface phenomenon!• Water dissolving NaCl.• Water can only dissolve ions they touch

Solvation = Dissolving

        O

H      H

Na+

Cl­

Mar 26­11:47 AM

Solute is dissolved

Na+Na+

Na+

Na+Na+

Cl­Cl­

Cl­Cl­

Cl­

Mar 26­11:47 AM

What determines how fast solutes dissolve?

1. amount of surface area 2. force of collisions with solvent3. frequency of collisions with solvent

Mar 26­11:47 AM

3 factors increase the rate of solvation:

• Agitation• Temperature• Particle Size

These increase the collisions between solvent and solute

Ch.16 sections 1 and 2 notes with notations

2

April 12, 2018

Mar 26­11:48 AM

Agitation

• solvent is brought into contact with the solute more frequently with greater force.

• Shaking and stirring

Mar 26­11:49 AM

Temperature

• increases the force and frequency of solvent and solute

• Heat makes particles move faster

Mar 26­11:49 AM

Particle Size• Powder has less surface, but very little volume

• Crystals have more surface, but a larege volume

• Powder has a greater surface area:volume ratio

Mar 26­11:50 AM

  Solubility• A saturated solution contains the maximum amount of 

solute for a given amount of solvent at a constant temperature.

• How much solute can a given amount of solvent hold...

Apr 10­11:58 AM Mar 26­11:51 AM

• The solubility of a substance is the amount of substance that dissolves in a given quantity of a solvent at a given temperature to produce a saturated solution.

• Solubility changes if temperature changes.

Ch.16 sections 1 and 2 notes with notations

3

April 12, 2018

Mar 26­7:54 AM

SolubilityMaximum amount of solute dissolved in 100­mL of solvent at a given temperature.

20°C

34.2­g 

KCl

30°C

37.2­g 

KCl

40°C

40.1­g 

KCl

Mar 26­11:51 AM

36.2­ g NaCl

100­g H2Oat 25 °C

Solubility Example

• 36.2 grams of NaCl in 100 grams of water @ 25 °C.

Mar 26­11:52 AM

Important!!!!!

• Solubility is generally expressed in grams of solute per 100 g of solvent.

• A solution that contains less solute than a saturated solution is unsaturated

100­g = 100­mL

grams of solute

   100­g H2Oat 20 °C

Mar 26­11:53 AM

Dynamic Equilibrium in a saturated solution.

• Rate of Solvation = Rate of Desolvation• Dissolving = Crystallization• Particles move from solid to solvated state and back to 

solid again.

Mar 26­11:53 AM

Factors Affecting Solubility• The solubility of liquids and solids increases with temperature

• The solubility of gases decreases with temperature

Apr 9­7:37 AM

Supersaturated Solutions20°C

Saturated

20°C

Supersaturated

30°C

Saturated

125­g 

NaCl125­g 

NaCl

100­g 

NaCl

Ch.16 sections 1 and 2 notes with notations

4

April 12, 2018

Mar 26­2:43 PM

Supersaturated Solution

• Crystallization in a supersaturated solution can be initiated if a very small crystal, called a seed crystal, of the solute is added

Removing solute from a supersaturated solution

Apr 11­12:06 PM

http://www.teachertube.com/viewVideo.php?video_id=86887

http://www.metacafe.com/watch/404010/rapid_crystallization_supersaturated_solution_demo/

Seed Crystal Video

Mar 26­2:44 PM

• Two liquids are said to be miscible if they dissolve in each other. (Polar & Polar or Nonpolar & Nonpolar)

• Liquids that are insoluble in one another are immiscible (NonPolar & Polar)

Liquids and Liquids

Mar 26­2:44 PM

• The solubilities of gases are greater in cold water than in hot water

• Hotter water has higher vapor pressure, which allows gas to escape

• The components of air become  less soluble as the temperature of the water rises.

Mar 26­2:44 PM

Thermal Pollution• Industrial plants remove cold water and dump hot water back into the lake.

• This increases the temperature of the water, decreasing the dissolved O2.

• Warm vs. Cold Soda can

Mar 26­2:59 PM

Henry’s Law• at a given temperature the solubility of a gas in a liquid is directly proportional to the pressure of the gas above the liquid

• In other words, as the pressure of the gas above the liquid increases, the solubility of the gas increases

S1       S2

P1       P2

Ch.16 sections 1 and 2 notes with notations

5

April 12, 2018

Mar 26­3:04 PM

Example

A gas has a solubility in water of 10.5 g/L at 15 °C and 455 kPa of pressure.  What is the solubility of the gas in water at 15 °C and 615 kPa of pressure? 

10.5 ­ g/L

455­kPa   615­kPa

Mar 26­3:04 PM

16.2  Concentrations of Solutions• The concentration of a solution is a measure of the amount of solute that is dissolved in a given quantity of solvent.

• The unit for concentration is Molarity

Mar 26­2:47 PM

Concentration= amount of solute dissolved in a solvent.

Dilute solutions have a small  amount of solute.

Concentrated solutions have a  large  amount of solute.

Mar 26­2:46 PM

Molarity (M)Moles of soluteLiters of solution

n

v M

n = moles

v = volume

M = molarity

Mar 26­2:46 PM

Key Concept!Is it possible to have 1­mL of 5.0M  solution?

If you poured 5.0M  HCl into 3 different size containers, would the molarity in each container change?

Apr 11­12:48 PM

200­mL

2.0 M HCl

300­mL

2.0 M HCl

Are the substances different because they have different amounts in them?

Does each flask have 2 moles of HCl dissolved?

Ch.16 sections 1 and 2 notes with notations

6

April 12, 2018

Apr 11­12:48 PM

2.0­moles

   1.0­L 0.2­L

2.0­moles

   1.0­L 0.3­L

200­mL

2.0 M HCl

300­mL

2.0 M HCl

Which flask has more moles of HCl dissolved?

Mar 28­10:55 AM

4 moles

  0.5­L

Example #1

What is the molarity of NaCl in sea water if it contains 4 moles of NaCl per 500­mL?

Mar 28­10:54 AM

Example #2

What is the molarity of NaCl in sea water if it contains 20.5 g of NaCl per 750­mL?

.350 moles

    0.75­L

20.5­g NaCl     1 mole 

          58.5­g

Mar 28­10:54 AM

Example #3How many moles of NaCl are dissolved in 100.0 mL of a 5.0M  solution?

5.0­moles

   1.0­Ln = M x V = x 0.1­L  =

Mar 28­10:53 AM

Example #4How many grams of NaCl are contained in 450.0 mL of a 2.0M  solution?

0.9 moles 58.5­g

1 mole

2.0­moles

   1.0­Ln = M x V = x 0.45­L  =

Mar 28­10:52 AM

Example #5What volume (in mL) of 12.0M  HCl is needed to have 5.00 moles of HCl?

5.0 molesV =           =n

M 12.0­moles

   1.0­L

Ch.16 sections 1 and 2 notes with notations

7

April 12, 2018

Mar 26­2:59 PM

Making Dilutions

• The number of moles of solute does not change when a solution is diluted

• Adding water to an existing solution.

• Increasing the volume to lower Molarity

Apr 11­12:48 PM

0.5­L

8.0 M HCl

________

2.0 M HCl

How much water must be added to make 2.0 M HCl?

Mar 26­2:49 PM

M1  x  V1  =   M2  x  V2• Volume can be in mL or L  as long as they are the same on both sides.

• The number of moles are the same on both sides.

• Stock solution is M1 or the solution of greater concentration.

Dilution Formula

Mar 28­10:51 AM

M1: 18.0 MV1:M2: 1.0 MV2: 4.50 ­ L

Example #6

Concentrated H2SO4 is 18.0M, what volume is needed to make 4.50 L of 1.00M  solution?  How much water must be added to it?

The number of moles in each solution are the same!!!The difference between the 2 solutions is the amount of water you add.

Mar 26­2:48 PM

Mixing SolutionsCalculate the final concentration if 5.0­L of 2.0M  NaCl and 3.0­L of 4.0M  NaCl are mixed?

Step 1: Find total volume (Same units)

Step 2: Find total moles

Step 3: Calculate molarity

Mar 26­2:48 PM

Example #7

Calculate the final concentration if 4.00 L of 5.0M  NaCl and 6.00 L of 2.0M  NaCl are mixed?

Ch.16 sections 1 and 2 notes with notations

8

April 12, 2018

Mar 26­2:49 PM

Example #8

Calculate the final concentration if you added 5.0­L of water to the mixture in example #7.

Mar 26­2:50 PM

Percent Solutions• Determining the percentage of solute in any given 

solution.

• Not the same as molarity because every solute has a different molar mass

• Important when comparing different solutions!!

­comparing 1.0­M HCI vs. 1.0­M H2SO4

Apr 15­7:47 AM

How do I compare 1.0-M HCl with 2.0-M HCl?

How do I compare 1.0-M HCl with 1.0-M H2SO4?

Mar 26­2:46 PM

g = mass

v = volume

% = % solution

Percent Solution mass of solutemL of solution

g

% V

(mL)

Mar 26­2:51 PM

Percent Solutions

% m/v of 2.0­M NaCl

Molar Mass NaCl = 58.5

% m/v of 2.0­M MgCl2

Molar Mass MgCl2 = 95

100­g of NaCl is dissolved in 2.00­L of 

solution.

% m/v is always expressed in g/mL.

If you are given molarity, then you can always determine the mass per 1.0­L.

Mar 26­3:04 PM

When there is a Liquid and a Solid.

• %(mass/vol.) =    mass of solute  (g)                             volume of solution (ml)

• Must be in g/mL!

Ch.16 sections 1 and 2 notes with notations

9

April 12, 2018

Mar 26­3:04 PM

When both solvent and solute are Liquids!

% by vol. =  vol. Solute     X  100%                   vol. Solution  Answer in: %(volume/volume)

Mar 26­3:04 PM

Example #9

What is the %(v/v) of ethanol when 75­mL is diluted to a volume of 250 mL with water?

Mar 26­3:04 PM

Example #10

What is the percent (mass/volume) of NaCl in a 200.0 mL solution containing 14 grams of NaCl?

Mar 26­3:04 PM

Example #11

How many grams of glucose would you need to prepare 2.0 L of 2% (m/v) glucose solution?

Mar 26­3:04 PM

Example #12What is the %(v/v) of ethanol when 50 mL is diluted with 150 mL of water?

Mar 26­3:04 PM

16.3  Colligative Properties of Solutions

• Colligative properties depend on the number of particles dissolved in a given mass of solvent

1. Freezing Point

2. Vapor Pressure

3. Boiling Point

Ch.16 sections 1 and 2 notes with notations

10

April 12, 2018

Mar 26­3:04 PM

3 Colligative Properties

• Factors that change when Particles dissolve

• For the same substance, we compare Molarity!

• For different substances, we compare the number particles dissolved for 1 mole of a substance.

Mar 26­3:04 PM

Dissolved Particles

The more dissolved particles, the greater change in the colligative properties.

• Glucose: 1 molecule (1 particle)• NaCl: 2 ions (2 particles)• CaCl2: 3 ions (3 particles)

Mar 28­10:29 AM

C6H12O6 NaCl CaCl2

1 mole6.02 x 1023 molecules

1 mole6.02 x 1023 form units

1 mole6.02 x 1023 form units

x 1 dissolved particle x 2 dissolved particles x 3 dissolved particles

Apr 16­8:16 AM

3.0­M NaCl 1.8­M AlCl3Which will have the most dissolved particles in 1­L of solution?

3.0 moles x (6.02 x 1023) 1.8 moles x (6.02 x 1023)

x 2 particles (Na+ & Cl­) x 4 particles (Al3+, Cl­, Cl­, Cl­)

Mar 26­3:04 PM

3 Colligative Properties

1. vapor pressure lowering2. boiling point elevation3. freezing point depression

Mar 26­2:56 PM

30º CelsiusWater Salt Water

Vapor Pressure 4.24­kPa

Boiling Point = 100ºC

Vapor pressure of the water must be 101.3­kPa 

to boil.

Vapor Pressure 3.69­kPa

Boiling Point = 102 ºC

Vapor pressure of the water must be 101.3­kPa to boil.

Ch.16 sections 1 and 2 notes with notations

11

April 12, 2018

Mar 26­3:05 PM

Vapor Pressure

• Substances with high vapor pressure evaporate quickly.

• Substances with low vapor pressure evaporate slowly.

Mar 26­3:05 PM

Vapor Pressure

• Mercury 23°C = 0.000219­kPa• Water 20°C = 2.3­kPa• Water 90°C = 69.9­kPa• Acetone 22.7°C = 26.7­kPa

* Notice that hot water has a higher vapor pressure than cold water.

Mar 28­10:27 AM

Freezing Point

• The more dissolved particles, the colder it needs to be for a solvent to freeze.• Antifreeze in cars.• Why is CaCl2 better to melt ice than NaCl?

Mar 26­2:54 PM

Boiling Point

• Vapor pressure of liquid equals vapor pressure of the air.

• The higher percentage of solute, the higher the boiling point.

• As water evaporates, the concentration of solute rises.

Mar 26­2:54 PM

Boiling Point

• Salt water has lower vapor pressure than fresh water.• Salt water will boil at 102 °C at a location with an atmospheric pressure of 1 atm.• Pasta will cook faster at 102 °C than 100 °C.

Mar 26­2:53 PM

High Altitude Directions

• At high altitudes, the atmospheric  pressure is less than 101.3 kPa. (Denver = 84.0 kPa)

• In Denver, water boils at 94 °C so water reaches a boil faster but food cooks slower than at sea level.

Ch.16 sections 1 and 2 notes with notations

12

April 12, 2018

Apr 17­12:52 PM

36.2­ g NaCl

100­g H2Oat 25 °C

This is the solubility of salt in water at 25 °C.

• What happens to the solubility if temperature increases or decreases?

• How many grams of NaCl can be dissolved in 300 grams of water?

Apr 12­9:07 PM

Solubility CurvesA visual representation of how much of a substance can be dissolved in 100 grams of water, based on temperature

In general, the solubility of a substance will increase with temperature

Apr 1­9:32 PM

A gas has a solubility in water of 15.0 g/L at 400 kPa of pressure. Assuming constant temperature, what is the solubility of the gas at a pressure of 550 kPa?

Henry's Law

Apr 1­9:34 PM

What is the molarity of a 1.5 L solution containing 85.0 grams NaCl?

Apr 1­9:35 PM

Concentrated HCl is 16.0 M. What volume is needed to make 6.0 L of 4.0 M solution? How much water must be added?

M1:

V1:

M2:

V2:

Apr 1­9:38 PM

What is the final concentration if 6.5 L of 3.0 M NaCl and 4.5 L of 6.0 M NaCl are mixed, and an additional 3.0 L of water is added?