Материал: Лекция. Растворы Ч.1

1

Лекция № 8 Общие свойства растворов.

Раствор – гомогенная (однофазнае) система, состоящая из двух или более компонентов.

В природе и технике растворы имеют огромное значение. Усвоение пищи связано с переводом питательных веществ в раствор. Все природные воды являются растворами. Растворами являются важнейшие физиологические жидкости – кровь, лимфа и др. Клеточный сок, например, состоит из воды и различных веществ, чаще всего в виде коллоидного раствора. Многие химические реакции протекают в растворах.

По агрегатному состоянию растворы бывают жидкие, твердые и газообразные. Примером первых могут быть растворы солей в воде; примеров вторых – сплав никеля и меди (из которого делают разменную монету) или сплав серебра и золота; примером третьих – смесь газов, воздух.

Растворы

сплавы

Если рассмотреть бинарные или двухкомпонентные растворы, то они состоят из растворителя (или среды) и растворяемого вещества. Эти понятия условны. Однако, обычно растворителем считают компонент, который находится в той же фазе, что и сам раствор, или тот, компонент, которого в растворе больше.

Наибольшее значение имеют жидкие (водные) растворы.

Некоторые вещества неограниченно растворимы друг в друге ( серная кислота – вода, этиловый спирт – вода), некоторые растворимы ограниченно (поваренная соль – вода).

Растворимость – это свойства вещества растворяться в воде или другом растворителе. Данные о растворимости приводятся в химических справочниках и выражаются в виде количества вещества в г, содержащегося в насыщенном растворе в 100 г растворителя (для мало растворимых веществ приводится произведение растворимости), Насыщенный раствор содержит максимальное количество вещества, которое может растворятся в данном растворителе при данной температуре, в нем молекулы на поверхности кристалла находятся в динамическом равновесии с молекулами вещества в растворе. Насыщенный раствор обычно готовят следующим образом: растворитель с растворяемым веществом нагревают, растворимость вещества повышается, затем охлаждают, и часть вещества выпадает в осадок. Этот прием лежит в основе метода очистки веществ – перекристаллизации. Иногда вещество при охлаждении выпадает не сразу. Полученные термодинамически неустойчивые растворы называют пересыщенными. Через некоторое время или при механическом воздействии (встряхивание, затирание стеклянной палочкой) из них выпадает осадок.

Пока еще не выявлены закономерности, позволяющие предсказать, в каком растворителе могло бы растворяться данное вещество. Можно лишь руководствоваться правилом « подобное растворяется в подобном». То есть, соединения с ионной или ковалентной полярной связью (диполи) лучше растворимы в полярных растворителях (с высокой диэлектрической проницаемостью ε, вода, уксусная кислота, этиловый спирт); соединения с ковалентной неполярной связью – в неполярных растворителях (толуол, бензол, смеси углеводородов – бензин и т.п.)

Свойства растворов зависят от количества растворенного вещества, то есть от концентрации раствора.

Концентрация раствора – количество растворенного вещества, содержащегося в определенном количестве раствора или растворителя. В зависимости от того, в каких единицах выражается количество растворенного вещества и количество растворителя или раствора, существуют различные способы выражения концентрации растворов.

Для приблизительного выражения концентрации растворов применяют термины концентрированный и разбавленный растворы.

Концентрированный раствор содержит такие количества растворенного вещества, которые сравнимы с количеством растворителя.

Разбавленный раствор содержит очень малое количество растворенного вещества по сравнению с количеством растворителя

Основные способы выражения концентрации растворов:

1. Массовая доля вещества, выраженная в процентах (или процентная концентрация) – масса растворенного вещества, содержащегося в 100 г раствора.

15% -й раствор NaOH – это значит, что 15 г NaOH содержится в 100 г раствора, т.е. раствор состоит из 15 г NaOH 85 г Н₂О .

m _{р-го в-ва}

ω = ———— (×100%) , %

m _р-а

1. Молярная концентрация – число молей растворенного вещества, содержащегося в 1 литре раствора.

n _{р-го в-ва}

C = ————, моль/л (М)

V _р-а

n – число молей растворенного вещества

V – объем раствора (л)

1 М HNO₃ – одно-молярный раствор HNO₃ , 1 л такого раствора содержит 1 моль HNO₃ или (1+14+48) = 63 г.

3. Мольная доля – отношение числа молей данного вещества к общему числу молей всех веществ, имеющихся в растворе.

Для бинарного раствора : N₁ – раствор

n₁ N₂ – растворимое вещества

N₁ = ————

n₁ + n₂ N₁ + N₂ = 1

4. Нормальная концентрация (нормальность) или эквивалентная концентрация, – число эквивалентов растворенного вещества, содержащихся в 1 л раствора.

n _{Э р-го в-ва}

C_Э = ————, г-экв/л (н)

4. V _р-а

n _Э – число эквивалентов растворенного вещества

V – объем раствора (л)

1 н H₂ SO₄ – одно-нормальный раствор H₂ SO₄ , 1 л такого раствора содержит 1 г-эквивалент H₂ SO₄ или (2+32+64)/ 2 = 49 г.

Единица измерения концентрации нормального раствора – г-экв/л. После численного значения обычно применяют сокращение н. Например, 1 н. H₂SO₄ означает раствор, в литре которого содержится 1 эквивалент серной кислоты, т. е. C_н(½H₂SO₄) = 1 моль/л (имеется в виду полная нейтрализация серной кислоты щелочью). Молярная масса эквивалента серной кислоты M(½H₂SO₄) = M(H₂SO₄)/2 = 49 г/моль. В отличие от молярной массы вещества молярная масса эквивалента кислоты, основания или соли не постоянна и зависит от реакции, в которой участвует вещество.

Пользуясь растворами, концентрация которых выражена нормальностью, легко заранее рассчитать, в каких объемных отношениях они должны быть смешаны, чтобы растворенные вещества прореагировали без остатка. Пусть V₁ л раствора вещества 1 с нормальностью С_э1 реагирует с V₂ л раствора вещества 2 с нормальностью С_э2. Это означает, что в реакцию вступило N₁V₁ эквивалентов вещества 1 и N₂V₂ эквивалентов вещества 2. Но вещества реагируют в эквивалентных количествах, следовательно

V₁× С_э1 = V₂× С_э2. (это выражение иногда называют законом эквивалентов)

или

V₁ :V₂ = С_э2 : С_э1

Таким образом, объемы растворов реагирующих веществ обратно пропорциональны их нормальностям.

На основании этой зависимости можно не только вычислять требуемые для проведения реакций объемы растворов, но и обратно, по объемам затраченных на реакцию растворов находить их концентрации.

5. Моляльная концентрация – число молей растворенного вещества, содержащегося в 1000 г растворителя.

n _{р-го в-ва}

C_m = ————, моль/кг

m _р-ля

n – число молей растворенного вещества

m – масса раствора (кг или г)

1 М HNO₃ – одно-моляльный раствор HNO₃ , для приготовления такого раствора в 1 кг воды растворяют 1 моль HNO₃ или (1+14+48) = 63 г.

Процесс растворения – представляет собой совокупность физических и химических явлений.

В конце XIX в. Растворение считалось физическим прцессом, а растворы – физическими образованиями, в которых отсутствовали какие-либо взаимодействия между растворителем и растворенным веществом.

Д.И. Менделеев создал химическую теорию растворов и показал, что образование растворов происходит вследствие химического взаимодействия меду растворителем и растворенным веществом.

CuSO₄ (безводный)  Cu ⁺² (белый)

CuSO₄ · nH₂O (голубой)  Cu⁺²

В отличие от химических соединений, растворы имеют переменный состав, т.е. их состав может изменяться в широких пределах, не нарушая однородности.

Современная физико-химическая теория растворов исходит из того, что при растворении можно выделить три основных процесса:

1) разрушение химических и межмолекулярных связей растворяющихся веществ, сопровождающееся увеличением Н системы, т.е. Н₁ > 0 ;

2) химическое взаимодействие растворителя и растворяющегося вещества, с образованием новых соединений – сольватов (или гидратов, если растворителем является вода).

При этом Н уменьшается и Н₂ < 0 ;

Сольваты образуются по ион-дипольному типу взаимодействия за счет электростатических сил, но могут образовываться по донорно-акцепторному типу взаимодействия.

3) самопроизвольное перемешивание раствора, гомогенизация раствора вследствие диффузии, что приводит к увеличению Н системы, Н₃ > 0 ;

Суммарный тепловой эффект процесса растворения:

ΔΝ = ΔΝ₁ + ΔΝ₂ + ΔΝ₃ кДж .

Тепловой эффект процесса растворения – это теплота, которая выделяется или поглощается в процессе растворения вещества.

Процесс растворения протекает самопроизвольно, если G < 0 ;

Вещества при растворении и сами претерпевают изменения и изменяют свойства растворителя в соответствии со своей химической природой.

Свойства растворов, зависящие от числа частиц растворенного вещества, называются коллигативными. К коллигативным свойствам растворов относят:

• понижение давление насыщенного пара растворителя;

• повышение температуры кипения растворителя;

• понижение температуры затвердевания (кристаллизации) растворителя;

• осмотическое давление раствора.

Количественное описание свойств растворов оказалось возможным с привлечением модели идеального раствора, то есть такого раствора, в котором межмолекулярное поле сил смешиваемых компонентов одинаково. В данном случае неважно, в каком окружении находится молекула растворителя, или растворенного вещества. Для таких растворов

- изменение энтальпии образования раствора (тепловой эффект растворения), ∆Н равно нулю;

- движущей силой процесса растворения является увеличение энтропии (∆s > 0);

- общий объем раствора равен сумме объемов растворителя и растворенного вещества.

К идеальным растворам по своим свойствам приближаются лишь очень разбавленные растворы, т.е. растворы с очень низкой концентрацией растворенного вещества.

Свойства реальных растворов отличаются от свойств идеального раствора. Отклонение свойств раствора от идеального раствора в зависимости от его состава может служить основой для изучения взаимодействий между частицами в растворе. Так отклонение в свойствах растворов электролитов (веществ, растворы и расплавы которых проводят электрический ток), свидетельствующее о том, что в них содержится большее число частиц, чем можно было ожидать, послужило отправной точкой для создания С. Аррениусом теории электролитической диссоциации.