Liukoisuus kuvaa sitä, kuinka paljon ainetta (liuotettua ainetta) voi liueta liuottimeen muodostaen liuoksen.

Se on tärkeä käsite kemiassa, sillä se määrittää, miten aineet sekoittuvat ja ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Liukoisuuteen vaikuttavat sellaiset tekijät kuin lämpötila, paine sekä liuenneen aineen ja liuottimen ominaisuudet.

Tutustumme liukoisuuden perusteisiin, mukaan lukien sellaisiin termeihin kuin liuotin, liuotin ja liuos. Tarkastelemme myös, mitä tapahtuu, kun liuos kyllästyy, ja miten liukoisuus eroaa liukenemisnopeudesta.

Liukoisuus: Nopea yhteenveto

Tarvitsetko vain perusasiat? Tässä on yksinkertainen selitys liukoisuudesta:

🟠 Liukoisuus tarkoittaa sitä, kuinka paljon ainetta (liuennutta ainetta) voi liueta liuottimeen tietyssä lämpötilassa ja paineessa.

🟠 Kyllästetyt liuokset sisältävät liuenneen aineen enimmäismäärän, kun taas ylikyllästetyt liuokset sisältävät normaalia enemmän liuosta tietyissä olosuhteissa.

🟠 Liukoisuustuotetta (Kₛₚ) käytetään ionisten yhdisteiden liukoisuuden laskemiseen, jolloin voidaan ennustaa, saostuuko liuennut aine liuoksesta.

🟠 Henryn laki selittää, että kaasujen liukoisuus nesteisiin kasvaa paineen kasvaessa.

Jos yhdisteiden liukoisuus on mielestäsi haastavaa, ei hätää! Henkilökohtainen tukiopetus tai interaktiiviset kemian oppitunnit tekevät näistä käsitteistä helpompia. Tutustu lisää kemian aiheisiin ja laajenna tietämystäsi ilmaisilla Kemian maailma -blogeillamme.

Mitä on liukoisuus?

Liukoisuus on liuenneen aineen enimmäismäärä, joka voi liueta liuottimeen tietyssä lämpötilassa ja paineessa muodostaen homogeenisen seoksen. Kun tämä raja saavutetaan, liuos on kylläinen, eli siihen ei voi liueta enää lisää liuosta. Jos kylläiseen liuokseen lisätään lisää liuennutta ainetta, se jää liukenematta.

Liuotin voi olla kiinteä, neste tai kaasu, ja liuotin on tyypillisesti neste, kuten vesi.

Kun esimerkiksi sekoitat suolaa (NaCl) veteen, se liukenee, kunnes liuos saavuttaa kylläisyyden. Liukoisuus riippuu sekä liuenneen aineen että liuottimen kemiallisista ominaisuuksista sekä ulkoisista tekijöistä, kuten lämpötilasta.

Ylikyllästyneet liuokset pitävät sisällään enemmän liuennutta ainetta kuin normaalisti on mahdollista tasapainossa ja ovat epävakaita. Liukoisuus ei ole sama kuin liukoisuusnopeus, joka mittaa pikemminkin sitä, kuinka nopeasti liuennut aine liukenee kuin sitä, kuinka paljon se voi liueta.

Liukoisuuteen vaikuttavat tekijät

Aineen liukoisuuteen vaikuttavat useat tekijät, kuten lämpötila, paine, polarisuus ja hiukkaskoko. Kukin näistä tekijöistä vaikuttaa siihen, kuinka paljon liuennutta ainetta voi liueta liuottimeen tietyissä olosuhteissa.

1. Lämpötila

Lämpötila vaikuttaa voimakkaasti kiintoaineiden, nesteiden ja kaasujen liukoisuuteen. Useimpien kiinteiden aineiden liukoisuus kasvaa korkeammassa lämpötilassa.

Esimerkiksi kuumaan veteen liukenee enemmän sokeria kuin kylmään veteen. Tämä johtuu siitä, että korkeammat lämpötilat lisäävät liuotinmolekyylien liikettä, jolloin ne pystyvät hajottamaan liuenneen aineen tehokkaammin.

Van't Hoffin yhtälö suhteuttaa liukoisuuden muutokset lämpötilaan:

ln(K₂/K₁) = (-ΔHₛₒₗ / R) × (1/T₂ - 1/T₁)

Tämä yhtälö auttaa ennustamaan lämpötilan muutosten vaikutusta liukoisuusvakioon Kₛₚ, erityisesti endotermisissä reaktioissa, joissa liukoisuus tyypillisesti kasvaa lämpötilan myötä.

Kaasujen osalta liukoisuus pienenee lämpötilan noustessa. Esimerkiksi lämmin sooda menettää hiilihappoisuutensa nopeammin, koska hiilidioksidin liukoisuus vähenee lämpötilan noustessa, jolloin kaasu pääsee helpommin poistumaan nesteestä.

Lämpötilalla on siis suora vaikutus liukoisuuteen, ja tämä suhde vaihtelee riippuen liuenneen aineen - kiinteän aineen tai kaasun - tilasta.

2. Paine

Paine vaikuttaa ensisijaisesti kaasujen liukoisuuteen nesteisiin. Henryn laki kuvaa, kuinka kaasun liukoisuus on verrannollinen nesteen yläpuolella olevan kaasun paineeseen:

C = kₚ × P

C on liuenneen kaasun pitoisuus, kₚ on Henryn vakio ja P on paine.

Esimerkiksi limsatölkit ovat paineistettuja, jotta hiilidioksidi pysyy liuenneena nesteeseen. Kun tölkki avataan, paine laskee ja kaasu poistuu, jolloin syntyy kuohuvaa. Toisin kuin kaasujen, kiinteiden aineiden ja nesteiden liukoisuus ei muutu merkittävästi paineen vaikutuksesta.

Kaasujen liukoisuus kasvaa paineen myötä, joten paine on tärkeä tekijä tilanteissa, joissa kaasujen on pysyttävä liuenneina.

3. Napaisuus

Polariteetilla on suuri merkitys liukoisuuteen säännön "samanlainen liukenee samanlaisena" perusteella. Pooliset liuottimet liuottavat poolisia liuottimia, kun taas poolittomat liuottimet liuottavat poolittomia liuottimia.

Vesi, polaarinen liuotin, liuottaa ionisia yhdisteitä, kuten natriumkloridia (NaCl), veden osittaisvarausten ja NaCl:n ionien välisen vuorovaikutuksen vuoksi.

Ei polaariset aineet, kuten öljy, eivät liukene veteen, mutta liukenevat ei-polaarisiin liuottimiin, kuten bentseeniin.

Polaarisuus määrittää, miten eri liuottimet ovat vuorovaikutuksessa liuottimien kanssa. Se auttaa selittämään, miksi tietyt aineet sekoittuvat helposti, kun taas toiset pysyvät erillään liuoksissa.

4. Hiukkasten koko ja pinta-ala

Liuenneen aineen hiukkasten koko vaikuttaa niiden liukenemisnopeuteen. Pienemmät hiukkaset liukenevat nopeammin, koska niiden pinta-ala on suurempi, mikä mahdollistaa enemmän liuotinvuorovaikutuksia.

Noyes-Whitneyn yhtälö selittää tämän suhteen:

dm/dt = (A × D / d) × (Cₛ - C)

dm/dt edustaa liukenemisnopeutta, A on pinta-ala, D on diffuusiokerroin, d on diffuusiokerroksen paksuus ja Cₛ ja C ovat liuenneen aineen pitoisuudet pinnalla ja irtoliuoksessa.

Esimerkiksi jauhemainen sokeri liukenee nopeammin kuin sokerikuutio, koska sen pinta-ala on suurempi liuottimelle.

Erilaisten aineiden liukoisuus

Aineiden liukoisuus riippuu siitä, ovatko ne ionisia vai kovalenttisia. Ioniset yhdisteet liukenevat polaarisiin liuottimiin, kuten veteen, kun taas kovalenttiset yhdisteet liukenevat eri tavoin riippuen niiden rakenteesta ja käytetystä liuottimesta.

Ionisten yhdisteiden liukoisuus

Ioniset yhdisteet liukenevat polaarisiin liuottimiin, kuten veteen. Tämä tapahtuu, koska veden pooliset molekyylit ovat vuorovaikutuksessa yhdisteen varattujen ionien kanssa.

Esimerkiksi kun natriumkloridi (NaCl) liukenee veteen, Na⁺-ionit vetävät puoleensa vesimolekyylien negatiivisia päitä ja Cl⁻-ionit positiivisia päitä.

Ionisten yhdisteiden liukoisuutta voidaan kvantifioida liukoisuustuotevakion (Kₛₚ) avulla.

Esimerkiksi hopeakloridille (AgCl): Kₛₚ = [Ag⁺] × [Cl⁻].

Tämän vakion avulla voidaan laskea ionikonsentraatioita kylläisessä liuoksessa ja ennustaa, syntyykö saostusta, kun liuoksia sekoitetaan.

Kovalenttisten yhdisteiden liukoisuus

Kovalenttiset yhdisteet liukenevat eri tavoin niiden polaarisuuden perusteella. Polaariset kovalenttiset yhdisteet, kuten sokeri, liukenevat polaarisiin liuottimiin, kuten veteen, niiden polaaristen molekyylien välisten voimakkaiden vuorovaikutusten vuoksi. Toisaalta poolittomat kovalenttiset yhdisteet, kuten öljy, eivät liukene veteen, mutta liukenevat poolittomiin liuottimiin, kuten heksaaniin.

Kovalenttisten yhdisteiden liukoisuus riippuu molekyylien välisistä voimista. Esimerkiksi molekyylien välinen vetysidos parantaa liukoisuutta veteen. Epäpolaariset aineet eivät kuitenkaan vuorovaikuta hyvin polaaristen liuottimien kanssa, minkä vuoksi niiden liukoisuus veteen on alhainen.

Kyllästetyt vs. ylikyllästetyt liuokset

Kylläinen liuos syntyy, kun liuotin on liuottanut mahdollisimman paljon liuennutta ainetta tietyssä lämpötilassa ja paineessa. Tässä vaiheessa mikään ylimääräinen liuennut aine ei liukene, vaan jää kiinteäksi aineeksi.

Kun esimerkiksi suolaa lisätään veteen, se liukenee, kunnes liuos on kylläinen, minkä jälkeen suolaa ei enää liukene.

Ylikylläinen liuos sisältää enemmän liuennutta ainetta kuin mitä normaalisti liukenee tasapainotilassa. Tämä saavutetaan liuottamalla ylimääräinen liuennut aine korkeammassa lämpötilassa ja työkaluttamalla liuosta hitaasti. Ylikylläiset liuokset ovat epävakaita, ja mikä tahansa häiriö voi aiheuttaa ylimääräisen liuenneen aineen kiteytymisen.

Esimerkiksi kuumaan sokeriliuokseen voi liueta enemmän sokeria kuin huoneenlämmössä. Kun sitä jäähdytetään varovasti, siitä tulee ylikylläinen. Pienikin häiriö, kuten sokerikiteen lisääminen, voi käynnistää kiteytymisen.

Liukoisuusrajojen laskemiseksi liuenneen aineen pitoisuutta verrataan liukoisuusvakioon (Kₛₚ). Jos pitoisuus ylittää liukoisuusrajan, liuoksesta tulee ylikylläinen.

Liukoisuuden käytännön sovellukset

• Aineiden puhdistaminen: Liukoisuutta käytetään seosten erottamiseen kiteyttämällä. Liuottamalla seos liuottimeen voidaan poistaa epäpuhtauksia, koska eri komponentit kiteytyvät eri nopeudella.
• Kiteytys: Liukoisuuserot eri lämpötiloissa auttavat kiinteän aineen puhdistamisessa. Kiinteä aine voidaan esimerkiksi liuottaa kuumaan liuottimeen ja jäähdyttää sen jälkeen puhtaan yhdisteen uudelleenkiteyttämiseksi.
• Extraktio: Liukoisuus mahdollistaa yhdisteiden uuttamisen seoksista, esimerkiksi veden käyttäminen kofeiinin uuttamiseen teelehdistä.
• Veden käsittely: Liukoisuuden periaatteita käytetään liuenneiden aineiden poistamiseen vedestä. Kemikaaleja lisätään saostamaan ei-toivottuja ioneja, jolloin niistä tulee liukenemattomia ja helpommin suodatettavia.
• Tuoteteollisuus: Monet teollisuudenalat käyttävät liukoisuutta materiaalien valmistuksessa, kuten pinnoitteiden, liimojen ja puhdistusaineiden liuosten luomisessa.
• Viljely: Liukoisuus vaikuttaa siihen, miten lannoitteet liukenevat maaperän veteen, mikä vaikuttaa kasvien ravinteiden saatavuuteen

Esimerkkejä ongelmista ja laskutoimituksista

🟠 Liukoisuus Tehtävä 1

Laske hopeakloridin (AgCl) liukoisuus veteen käyttäen sen liukoisuusvakion (Kₛₚ) arvoa.

Kun AgCl:n Kₛₚ = 1.8 × 10⁻¹⁰, yhtälö on:

Kₛₚ = [Ag⁺] × [Cl⁻]

Koska [Ag⁺] = [Cl⁻]

Kₛₚ = s²

jossa s on liukoisuus.

Ratkaistaan s:

s = √(1.8 × 10⁻¹⁰) = 1.34 × 10⁻⁵ mol/L

🟠 Liukoisuusharjoitus 2

Laske Henryn lain avulla hapen liukoisuus veteen 2 atm:n paineessa.

Oletetaan kₚ = 1.3 × 10⁻³ mol/L-atm:

C = kₚ × P = 1.3 × 10⁻³ × 2 = 2.6 × 10⁻³ mol/L

Yhdisteiden liukoisuus veteen

Lisää tietämystäsi liukoisuudesta

Onko aineiden liukoisuus sinulle hankalaa? Pätevä kemianopettaja voi selittää monimutkaiset aiheet tavalla, joka on sinulle mielekäs, jolloin orgaaninen ja epäorgaaninen kemia on ymmärrettävää ja miellyttävää.

Etsi opettajaa käyttämällä ilmaisuja kuten "orgaanisen kemian opettaja Vaasa" tai "epäorgaanisen kemian opettaja Kuopip" alustoilla kuten meet'n'learn. Löydät jonkun, joka voi räätälöidä oppitunnit tarpeidesi mukaan.

Jos haluat mieluummin oppia ryhmässä, etsi verkossa hakusanoilla "kemian tunnit Helsinki" tai "kemian kurssi Jyväskylä". Haku johdattaa sinut lähistöllä sijaitsevien kemian tukiopettajien luo.

Aineiden liukoisuus: Usein kysytyt kysymykset

1. Mitä liukoisuus on kemiassa?

Liukoisuus on liuenneen aineen enimmäismäärä, joka voi liueta liuottimeen tietyissä lämpötila- ja paineolosuhteissa.

2. Mitkä tekijät vaikuttavat liukoisuuteen?

Liukoisuuteen vaikuttavat lämpötila, paine, liuenneen aineen ja liuottimen poolisuus sekä liuenneen aineen hiukkaskoko.

3. Mikä on kylläinen liuos?

Kylläinen liuos syntyy, kun liuotin on liuottanut suurimman mahdollisen määrän liuennutta ainetta tietyssä lämpötilassa ja paineessa.

4. Mikä on ylikylläinen liuos?

Ylikylläinen liuos sisältää enemmän liuennutta ainetta kuin liuottimeen tyypillisesti liukenee tasapainotilassa, ja se saavutetaan yleensä kuumentamalla ja jäähdyttämällä liuosta hitaasti.

5. Miten liukoisuus lasketaan?

Liukoisuus lasketaan käyttämällä liukoisuustuotevakioarvoa (Kₛₚ) ionisten yhdisteiden osalta tai Henryn lakia kaasujen osalta.

6. Mitä eroa on liukoisuudella ja liukenemisnopeudella?

Liukoisuus mittaa, kuinka paljon liuennutta ainetta voi liueta, kun taas liukenemisnopeus mittaa, kuinka nopeasti liuennut aine liukenee liuottimeen.

7. Miten lämpötila vaikuttaa kaasujen liukoisuuteen?

Lämpötilan noustessa kaasujen liukoisuus nesteisiin yleensä vähenee, jolloin kaasut pääsevät helpommin ulos.

8. Mikä on Henryn laki?

Henryn lain mukaan kaasun liukoisuus nesteeseen on verrannollinen kaasun osapaineeseen nesteen yläpuolella.

Viitteet:

1. Wikipedia
2. UEN
3. LibreTexts Chemistry