Растворы – однородная многокомпонентная система, состоящая из растворителя, растворенных веществ и продуктов их взаимодействия. Растворы могут быть жидкими (морская вода), газообразными (воздух) и твердыми (сплавы металлов)
Растворимостью называется способность вещества растворяться в том или ином растворителе. Мерой растворимости вещества при данных условиях служит содержание его в насыщенном растворе . Поэтому численно растворимость может быть выражена теми же способами, что и состав, например, процентным отношением массы растворенного вещества к массе насыщенного раствора или количеством растворенного вещества, содержащимся в 1 литре насыщенного раствора. Часто растворимость выражают также числом единиц массы безводного вещества, насыщающего при данных условиях 100 единиц массы растворителя; иногда выраженную этим способом растворимость называют коэффициентом растворимости .
Вещества, состоящие из полярных молекул, и вещества с ионным типом связи лучше растворяются в полярных растворителях (вода, спирты, жидкий аммиак), а неполярные – в неполярных растворителях (бензол, сероуглерод).
Процесс растворимости избирательный и зависит от природы веществ и термодинамических условий (давления, температуры).
Насыщенным называется раствор, находящийся в равновесии с растворимым веществом в виде отдельной фазы.
Константой растворимости называется количество гр вещества, образующее насыщенный раствор в 100 гр растворителя при данных условиях.
По растворимости вещества разделяют на:
Хорошо растворимые (в 100 гр растворителя содержится больше 1 гр вещества)
Малорастворимые (в 100 гр растворителя содержится больше 1∙10 −3 гр)
Практически нерастворимые (в 100 гр растворителя содержится меньше 10 −3 гр)
Абсолютно нерастворимых веществ нет.
При растворении веществ всегда происходит выделение или поглощение тепла. Количество теплоты, выделяющейся или поглощающейся при растворении 1 моль вещества называется теплотой растворения.
РАСТВОРЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ:
Растворение большинства твердых тел сопровождается поглощением теплоты. Это объясняется затратой количества энергии на разрушение кристаллической решетки твердого тела, что обычно не полностью компенсируется энергией, выделяющейся при образовании гидратов (сольватов). Прилагая принцип Ле Шателье к равновесию между веществом в кристаллическом состоянии и его насыщенным раствором
приходим к выводу, что в тех случаях, когда вещество растворяется с поглощением энергии, повышение температуры должно приводить к увеличению его растворимости. Если же, энергия гидратации (сольватации) достаточно велика, чтобы образование раствора сопровождалось выделением энергии, растворимость с ростом температуры понижается. Это происходит, например, при растворении в воде щелочей, многих солей лития, магния, алюминия.
При растворении твердых тел в воде объем системы обычно изменяется незначительно. Поэтому растворимость веществ, находящихся в твердом состоянии, практически не зависит от давления.
РАСТВОРЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ:
Жидкости также могут растворяться в жидкостях. Некоторые из них неограниченно растворимы одна в другой, т.е. смешиваются друг с другом в любых пропорциях, как, например, спирт и вода, другие – взаимно растворяются лишь до известного предела.
Температура, при которой ограниченная взаимная растворимость жидкостей переходит в неограниченную, называется критической температурой растворения .
Как и в случае растворения твердых тел, взаимное растворение жидкостей обычно не сопровождается значительным изменением объема. Поэтому взаимная растворимость жидкостей мало зависит от давления и заметно возрастает лишь при очень высоких давлениях (порядка тысяч атмосфер).
Если в систему, состоящую из двух несмешивающихся жидкостей, ввести третье вещество, способное растворяться в каждой из этих жидкостей, то растворенное вещество будет распределяться между обеими жидкостями пропорционально своей растворимости в каждой из них.
Закон распределения: «Вещество, способное растворяться в двух несмешивающихся растворителях, распределяется между ними так, что отношение его концентраций в этих растворителях при постоянной температуре остается постоянным, независимо от общего количества растворенного вещества»:
Здесь C 1 и C 2 – концентрации растворенного вещества в первом и втором растворителях; K – коэффициент распределения.
РАСТВОРЕНИЕ ГАЗОВ :
При увеличении давления, растворимость газа в жидкости увеличивается. По правилу Генри масса растворенного газа прямо пропорциональна давлению.
Постоянная Генри зависит от температуры, природы газа и растворителя. Объем растворенного газа не зависит от давления.
При повышении температуры растворимость газа в жидкости понижается.
Растворение является сложным Физико-химическим процессом. Если растворителем является вода, то процесс растворения называется гидратацией и образуются кристаллогидраты.
Процесс растворения происходит в три стадии:
1) Разрушается связь между молекулами и атомами растворенного вещества и растворителя. Затрачивается энергия – Q
2) Происходит сольватация, процесс которой сопровождается выделением тепла + Q
3) Диффузия (Сольватирующие частицы равномерно распределяются по всему объему). Происходит поглощение тепла – Q.
Леккия №17
РАСТВОРЫ
Общая характеристика растворов.
Способы выражения концентрации растворов.
Термодинамика и механизм процесса растворения.
Растворимость.
Вода как растворитель. Значение растворов в жизнедеятельности организмов
1. Общая характеристика растворов.
Растворы – это гомогенные системы переменного состава, включающие два и более компонентов. Частицы компонентов раствора распределены по его объему в виде атомов, молекул или ионов (размер частиц 0,1 – 0,5 нм).
Образование растворов, в отличие от механических смесей, сопровождается изменением энтальпии, энтропии и объема системы.
По агрегатному состоянию различают газовые, жидкие и твердые растворы. Но обычно термин растворы относится к жидким системам.
2. Способы выражения концентрации растворов.
Относительное содержание компонентов в растворе определяется его концентрацией.
Молярная концентрация – это количество вещества, содержащееся в одном литре раствора (моль/л):
Э
квивалентная
концентрация
– это число молей
эквивалентов вещества, содержащихся в
одном литре раствора (моль/л):
Эквивалент – это реальная или условная частица вещества, которая в кислотно-основной реакции эквивалентна одному иону водорода, а в окислительно-восстановительной эквивалентна одному электрону.
Масса одного моля эквивалентов называется молярной массой эквивалента вещества (Э). В разных реакциях одно и то же вещество может иметь разные эквиваленты.
Моляльная концентрация – это количество вещества, содержащееся в одном килограмме растворителя (моль/кг):
М
ассовая
доля
равна отношению массы растворенного
вещества к массе раствора:
М
олярная
доля
равна отношению количества
растворенного вещества в общему
количеству веществ в растворе:
К
ак
правило, вещество обладает определенной
растворимостью в данном растворителе.
Подрастворимостью
понимают
концентрацию вещества в насыщенном
растворе.
3. Термодинамика и механизм процесса растворения
Растворение – сложный физико-химический процесс, включающий три основные стадии, каждая из которых характеризуется изменениями термодинамических функций Н иS:
разрушение химических и межмолекулярных связей в растворяемом веществе (например, разрушение кристаллической решетки): Н 1 >0,S 1 >0
химическое взаимодействие частиц растворенного вещества с растворителем (сольватация): Н 2 <0,S 2 <0
равномерное распределение частиц растворенного вещества в среде растворителя путем диффузии: Н 3 >0,S 3 >0
Согласно 2-му закону термодинамики условием самопроизвольности процесса растворения является убыль энергии Гиббса:
G=H-TS< 0,
которая складывается из энтальпийного Н и энтропийногоTSфакторов.
Растворение газов в жидкостях приводит к упорядочению системы и, следовательно, сопровождается уменьшением энтропии: S р-ния <0. Движущей силой процесса растворения в этом случае является энтальпийный фактор и растворение большинства газов является процессом экзотермическим:Н р-ния <0. Таким образом, самопроизвольное растворение газов возможно при низких температурах (|Н| > |TS|)
Растворение жидких и твердых веществ в жидкостях приводит к увеличению беспорядка в системе и увеличению энтропии: S р-ния >0. Суммарный тепловой эффект процесса растворения определяется в основном слагаемымиН 1 иН 2 и в зависимости от их соотношения может и быть и положительным (NaCl), и отрицательным (NaOH). Растворение большинства кристаллических веществ – процесс эндотермическийН р-ния >0, так как энергия, затрачиваемая на разрушение кристаллической решетки не компенсируется энергией, выделяемой за счет сольватации. Таким образом, самопроизвольному растворению большинства твердых веществ способствуют высокие тепмературы (|Н| < |TS|).
Растворы, образование которых не сопровождается изменениями объема системы и тепловыми эффектами (V=0,Н=0), называютидеальными . Движущей силой образования идеального раствора является увеличение энтропии системы. Идеальный раствор – понятие абстрактное. Реальные системы могут лишь приближаться к идеальным. Наиболее близки к модели идеального раствора системы, в которых компоненты близки по свойствам и практически не взаимодействуют друг с другом (например, раствор толуола в бензоле). Приближаются по свойствам к идеальным бесконечно разбавленные растворы, в которых взаимодействиях сводятся к минимуму за счет низкой концентрации растворенного вещества.
4. Растворимость
Под растворимостью понимают концентрацию растворенного вещества в насыщенном растворе.
Растворимость выражают в тех же единицах, что и концентрацию. Часто используют коэффициент растворимости s, равный массе растворенного вещества (г) в насыщенном растворе, содержащем 100 г растворителя.
Насыщенным называют раствор, который находится в равновесии с избытком растворяемого вещества (G р-ния =0). Насыщенный раствор имеет максимально возможную в данных условиях концентрацию.
Растворимость зависит:
от природы растворенного вещества и растворителя;
от температуры;
от давления;
от присутствия третьих компонентов.
Влияние природы компонентов на растворимость определяется принципом:подобное растворяется в подобном . Полярные растворители, например, вода, хорошо растворяют вещества с ионной связью (неорганические соли, кислоты и основания). Хорошей растворимостью в воде обладают полярные органические соединения, образующие с молекулами растворителя водородные связи (спирты, карбоновые кислоты, амины). Неполярные растворители, например, углеводороды, растворяют неполярные и малополярные соединения (жиры).
Влияние температуры на растворимость зависит от теплового эффекта растворения и определяется принципом Ле Шателье. Повышению растворимости газов способствует понижение температуры, так как растворение газов – процесс экзотермический. Растворимость большинства твердых веществ и жидкостей - процесс эндотермический и возрастает при повышении температуры.
Влияние давления существенно только в том случае, если при растворении происходит значительное изменение объема системы, что наблюдается при растворении газов в жидкостях. Растворимость газов растет с увеличением давления, так как сопровождается уменьшением объема системы.
Закон Генри:
Количество газа, растворенного в определенном объеме жидкости при постоянной температуре прямо пропорционально давлению газа.
c (X ) = K г p (X )
где c(X) – молярная концентрация газа,моль/л
K г - константа Генри, моль/лПа
p(X) – давление газа над раствором, Па
Влияние присутствия третьих компонентов.
Растворимость газов в жидкостях значительно снижается в присутствии электролитов (солей) Этот процесс называют высаливанием .
Закон Сеченова:
Растворимость газов в жидкостях в присутствии электролитов понижается.
С(X) = С 0 (X)
где С(X) – растворимость газа в присутствии электролита
С 0 (X) – растворимость газа в чистом растворителе
К С - константа Сеченова
С э - концентрация электролита
Биологическое значение законов Генри и Сеченова.
Изменение растворимости газов в крови при изменении давления может привести к тяжелым заболеванием. Кесонная болезнь у водолазов – проявление закона Генри. В соответствии с законом Сеченова растворимость кислорода и углекислого газа в крови зависит от концентрации электролитов, а также белков, липидов и других веществ.
5. Вода как растворитель. Значение растворов в жизнедеятельности организмов
Самым распространенным растворителем на нашей планете является вода. У животных и растительных организмов содержание воды составляет обычно более 50%, а в ряде случаев достигает 90-95%.
Вода хорошо растворяет многие ионные и полярные соединения. Такое свойство воды связано с ее высокой диэлектрической проницаемостью (= 78,5). В результате многие ионные соединения диссоциируют и отличаются высокой растворимостью в воде. Другой класс веществ, хорошо растворимых в воде, составляют полярные органические соединения (спирты, альдегиды, кетоны). Их растворимость обусловлена образованием водородных связей с молекулами воды.
Важны и другие аномальные свойства воды: высокое поверхностное натяжение, низкая вязкость, высокие температуры плавления и кипения, более высокая плотность в жидком состоянии, чем в твердом.
Вследствие высокой полярности вода вызывает гидролиз веществ (эфиров, амидов и др.). Так как вода составляет основную часть внутренней среды организма, то она обеспечивает процессы всасывания, передвижения питательных веществ и продуктов обмена в организме.
Важнейшие биологические жидкости – кровь, лимфа, моча, слюна, пот являются растворами солей, белков, углеводов, липидов в воде. Биохимические процессы в живых организмах протекает в водных растворах.
В жидких средах организма поддерживается постоянство рН, концентрации солей и органических веществ, постоянство осмотического давления. Такое постоянство называется гомеостазом. Приведенные примеры показывают, что учение о растворах представляет особый интерес для медиков.
Химические растворы находят применение в самых разных отраслях промышленности. Самые распространенные растворы, используемые в химическом производстве, это растворы кислот и щелочей. Рассмотрим же основные из них.
Бисульфит натрия NaHSO 3
Данный вид раствора имеет светло-желтый окрас. В ряде случаев может становиться коричневого оттенка. Зачастую для транспортировки и хранения бисульфита натрия используются бутылки из стекла или железнодорожные цистерны. Но в случае покупки такого вещества возможен его разлив по канистрам, бочкам и иным емкостям аналогичного типа. Период годности раствора равен 90 дням с даты изготовления.
Гидроокись калия KOH
Гидроокись калия — это кристаллы, не имеющие цвета, используемые во время производства жидкого мыла и получения различных калиевых соединений. Кроме этого, активного применения приобрело вещество при изготовлении метана и в роли электролитов в структуре батареек. Вещество такого рода способствует очищению нержавеющей стали от жирных пятен и прочего род загрязнений.
Раствор хлористого кальция CaCl 2
Хлористый кальций — это соль соляной кислоты. Ему свойственно замерзать при холодной погоде (в соотношении: 20% при -18, 30% при -48 градусах по Цельсию). Раствор хлористого кальция широко применяется на газораспределительных станциях, в строительной сфере (обеспечивает быстрое схватывание цемента), с целью противодействия гололеду, в таких отраслях промышленности как пищевая и медицинская. Для хранения и перемещения используются канистры и кубы.
Раствор едкого натрия NaOH
Раствор едкого натрия широко используется в качестве реагента во время проведения различных химических реакций. Является сильной щелочью, по этой причине довольно часто он применяется с целью нейтрализации едкой кислоты. Кроме того, в качестве составляющей входит в содержание средств для отбеливания, ДВП, бумаги, парфюмерных и косметических продуктов.
Раствор серной кислоты H 2 SO 4
Серная кислота входит в класс двухосновных сильнодействующих кислот. Имеет вид густообразной бесцветной жидкости, не имеющей запаха. В промышленной сфере зачастую применяются такие растворы на основе дистиллированной воды. Уровень концентрации самой кислоты зависит от области использования раствора. Зачастую вещество применяют при выполнении химического синтеза, для очищения сырой нефти, во время производства удобрений и средств бытовой химии.
Раствор соляной кислоты HCl
Соляная кислота представлена химическим веществом в виде бесцветной жидкости, которой присущ резкий запах. Данный вид элемента выступает в качестве очень сильного растворителя. Приобрела широкое распространение в таких областях: химическая промышленность, гальванопластика, медицины, выпуск бумажных и картонных изделий. Хранение и транспортировка вещества осуществляется в обычных канистрах или кубах.
Сульфаминовая кислота NH 2 SO 3 H
Сульфаминовая кислота представлена в виде растворимого в воде кристаллического вещества, имеющего белый либо серый оттенок. Раствор такой кислоты используется с целью очищения промышленных устройств, для придания материалам из текстиля огнезащитных характеристик. Срок годности такого вещества составляет один год.
Растворами называют однородные (гомогенные) системы, которые состоят из двух или более компонентов, относительное количество которых может изменяться в широких пределах без нарушения однородности.
Компонентами раствора называют растворитель и растворенные в нем вещества. Растворитель - это среда, в которой растворенные вещества равномерно распределены в виде молекул или ионов. Из двух или нескольких компонентов раствора растворителем является тот, который взят в большем количестве и имеет то же агрегатное состояние, что и раствор в целом.
Самым распространенным растворителем в природе является вода. Растворы классифицируют по ряду признаков:
По агрегатному состоянию растворы могут быть:
― жидкими (жидкие растворы можно получить растворением газа в жидкости, например, газированная вода является раствором оксида углерода (IV) в воде; жидкости в жидкости, например, раствор спирта в воде; твердого вещества в жидкости, например, раствор соли в воде и т.д.).
― газообразными (примером газообразных растворов является воздух, состоящий из кислорода, азота, оксида углерода, благородных газов и водяного пара; молекулы этих веществ ведут себя как молекулы газа, то есть воздух является гомогенной системой);
― твёрдыми (к таким растворам относится большинство металлических сплавов; сталь, например, представляет собой кристаллический раствор углерода в железе).
Обычно термин растворы относится к жидким системам.
В зависимости от природы растворителя растворы могут быть:
― водные;
― неводные (спиртовые, бензольные и т.п.).
По типу вещества в растворе растворы подразделяются на:
― электролиты (вещества, которые в растворе или расплаве распадаются на ионы и проводят электрический ток);
― неэлектролиты.
― разбавленные (содержание растворенного вещества не превышает 30%;
― концентрированные (массовая доля растворенного вещества составляет свыше 30%).
Однако границы между разведенными и концентрированными растворами условны. Например, для серной кислоты концентрированным считается раствор, содержащий 96 г Н 2 SO 4 , для азотной - 63 г HNO 3 , для соляной - 37 г HCI в 100 г воды.
В зависимости от концентрации ионов водорода растворы могут быть:
― кислыми (рН<7);
― нейтральными (рН=7);
― щелочными (рН>7).
По способности веществ растворятся при данных условиях в определенной массе растворителя растворы бывают:
Ненасыщенные (раствор, в котором при данных условиях можно растворить еще некоторое количество растворенного вещества);
Насыщенные (раствор, в котором растворённое вещество при данных условиях достигло максимальной концентрации и больше не растворяется); осадок данного вещества находится в равновесном состоянии с веществом в растворе;
Пересыщенные (раствор, содержащий при данных условиях больше растворённого вещества, чем в насыщенном растворе, избыток вещества легко выпадает в осадок). Обычно пересыщенный раствор получают охлаждением раствора, насыщенного при более высокой температуре (пересыщение). Перенасыщенные растворы очень неустойчивы. Помешивание, встряхивание, добавление крупинок соли может вызвать кристаллизацию избытка соли и переход в насыщенное устойчивое состояние.
Содержание статьи
РАСТВОРЫ, однофазные системы, состоящие из двух или более компонентов. По своему агрегатному состоянию растворы могут быть твердыми, жидкими или газообразными. Так, воздух – это газообразный раствор, гомогенная смесь газов; водка – жидкий раствор, смесь нескольких веществ, образующих одну жидкую фазу; морская вода – жидкий раствор, смесь твердого (соль) и жидкого (вода) веществ, образующих одну жидкую фазу; латунь – твердый раствор, смесь двух твердых веществ (меди и цинка), образующих одну твердую фазу. Смесь бензина и воды не является раствором, поскольку эти жидкости не растворяются друг в друге, оставаясь в виде двух жидких фаз с границей раздела. Компоненты растворов сохраняют свои уникальные свойства и не вступают в химические реакции между собой с образованием новых соединений. Так, при смешивании двух объемов водорода с одним объемом кислорода получается газообразный раствор. Если эту газовую смесь поджечь, то образуется новое вещество – вода, которая сама по себе раствором не является. Компонент, присутствующий в растворе в большем количестве, принято называть растворителем, остальные компоненты – растворенными веществами.
Однако иногда бывает трудно провести грань между физическим перемешиванием веществ и их химическим взаимодействием. Например, при смешивании газообразного хлороводорода HCl с водой H 2 O образуются ионы H 3 O + и Cl – . Они притягивают к себе соседние молекулы воды, образуя гидраты. Таким образом, исходные компоненты – HCl и H 2 O – после смешивания претерпевают существенные изменения. Тем не менее ионизация и гидратация (в общем случае – сольватация) рассматриваются как физические процессы, происходящие при образовании растворов.
Одним из важнейших типов смесей, представляющих собой гомогенную фазу, являются коллоидные растворы: гели, золи, эмульсии и аэрозоли. Размер частиц в коллоидных растворах составляет 1–1000 нм, в истинных растворах ~0,1 нм (порядка размера молекул).
Основные понятия.
Два вещества, растворяющиеся друг в друге в любых пропорциях с образованием истинных растворов, называют полностью взаиморастворимыми. Такими веществами являются все газы, многие жидкости (например, этиловый спирт – вода, глицерин – вода, бензол – бензин), некоторые твердые вещества (например, серебро – золото). Для получения твердых растворов необходимо сначала расплавить исходные вещества, затем смешать их и дать затвердеть. При их полной взаиморастворимости образуется одна твердая фаза; если же растворимость частичная, то в образовавшемся твердом веществе сохраняются мелкие кристаллы одного из исходных компонентов.
Если два компонента образуют одну фазу при смешивании только в определенных пропорциях, а в других случаях возникают две фазы, то они называются частично взаиморастворимыми. Таковы, например, вода и бензол: истинные растворы получаются из них только при добавлении незначительного количества воды к большому объему бензола или незначительного количества бензола к большому объему воды. Если же смешать равные количества воды и бензола, то образуется двухфазная жидкая система. Нижний ее слой – это вода с небольшим количеством бензола, а верхний – бензол с малой примесью воды. Известны также вещества, совсем не растворяющиеся одно в другом, например, вода и ртуть. Если два вещества лишь частично взаиморастворимы, то при данных температуре и давлении существует предельное количество одного вещества, которое способно образовать истинный раствор с другим в равновесных условиях. Раствор с предельной концентрацией растворенного вещества называют насыщенным. Можно приготовить и так называемый пересыщенный раствор, в котором концентрация растворенного вещества даже больше, чем в насыщенном. Однако пересыщенные растворы неустойчивы, и при малейшем изменении условий, например при перемешивании, попадании частичек пыли или добавлении кристалликов растворяемого вещества, избыток растворенного вещества выпадает в осадок.
Всякая жидкость начинает кипеть при той температуре, при которой давление ее насыщенного пара достигает величины внешнего давления. Например, вода под давлением 101,3 кПа кипит при 100° С потому, что при этой температуре давление водяного пара как раз равно 101,3 кПа. Если же растворить в воде какое-нибудь нелетучее вещество, то давление ее пара понизится. Чтобы довести давление пара полученного раствора до 101,3 кПа, нужно нагреть раствор выше 100° С. Отсюда следует, что температура кипения раствора всегда выше температуры кипения чистого растворителя. Аналогично объясняется и понижение температуры замерзания растворов.
Закон Рауля.
В 1887 французский физик Ф.Рауль, изучая растворы различных нелетучих жидкостей и твердых веществ, установил закон, связывающий понижение давления пара над разбавленными растворами неэлектролитов с концентрацией: относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором равно мольной доле растворенного вещества. Из закона Рауля следует, что повышение температуры кипения или понижение температуры замерзания разбавленного раствора по сравнению с чистым растворителем пропорционально молярной концентрации (или мольной доле) растворенного вещества и может быть использовано для определения его молекулярной массы.
Раствор, поведение которого подчиняется закону Рауля, называется идеальным. Наиболее близки к идеальным растворы неполярных газов и жидкостей (молекулы которых не меняют ориентации в электрическом поле). В этом случае теплота растворения равна нулю, а свойства растворов можно прямо предсказать, зная свойства исходных компонентов и пропорции, в которых они смешиваются. Для реальных растворов сделать такое предсказание нельзя. При образовании реальных растворов обычно выделяется или поглощается тепло. Процессы с выделением тепла называются экзотермическими, а с поглощением – эндотермическими.
Те характеристики раствора, которые зависят в основном от его концентрации (числа молекул растворенного вещества на единицу объема или массы растворителя), а не от природы растворенного вещества, называют коллигативными . Например, температура кипения чистой воды при нормальном атмосферном давлении равна 100° С, а температура кипения раствора, содержащего 1 моль растворенного (недиссоциирующего) вещества в 1000 г воды, составляет уже 100,52° С независимо от природы этого вещества. Если же вещество диссоциирует, образуя ионы, то температура кипения увеличивается пропорционально росту общего числа частиц растворенного вещества, которое благодаря диссоциации превышает число молекул вещества, добавленных в раствор. Другими важными коллигативными величинами являются температура замерзания раствора, осмотическое давление и парциальное давление паров растворителя.
Концентрация раствора
– это величина, отражающая пропорции между растворенным веществом и растворителем. Такие качественные понятия, как «разбавленный» и «концентрированный», говорят только о том, что раствор содержит мало или много растворенного вещества. Для количественного выражения концентрации растворов часто используют проценты (массовые или объемные), а в научной литературе – число молей или химических эквивалентов (см . ЭКВИВАЛЕНТНАЯ МАССА) растворенного вещества на единицу массы или объема растворителя либо раствора. Чтобы не возникало путаницы, следует всегда точно указывать единицы измерения концентрации. Рассмотрим следующий пример. Раствор, состоящий из 90 г воды (ее объем равен 90 мл, поскольку плотность воды равна 1г/мл) и 10 г этилового спирта (его объем равен 12,6 мл, поскольку плотность спирта равна 0,794 г/мл), имеет массу 100 г, но объем этого раствора равен 101,6 мл (а был бы равен 102,6 мл, если бы при смешивании воды и спирта их объемы просто складывались). Процентную концентрацию раствора можно рассчитать по-разному:
Единицы концентраций, используемые в научной литературе, основаны на таких понятиях, как моль и эквивалент, поскольку все химические расчеты и уравнения химических реакций должны основываться на том, что вещества вступают в реакции между собой в определенных соотношениях. Например, 1 экв. NaCl, равный 58,5 г, взаимодействует с 1 экв. AgNO 3 , равным 170 г. Ясно, что растворы, содержащие по 1 экв. этих веществ, имеют совершенно разные процентные концентрации.
Молярность
(M или моль/л) – число молей растворенного веществ, содержащихся в 1 л раствора.
Моляльность
(м) – число молей растворенного вещества, содержащихся в 1000 г растворителя.
Нормальность
(н.) – число химических эквивалентов растворенного вещества, содержащихся в 1 л раствора.
Мольная доля
(безразмерная величина) – число молей данного компонента, отнесенное к общему числу молей растворенного вещества и растворителя. (Мольный процент – мольная доля, умноженная на 100.)
Наиболее распространенная единица – молярность, но при ее расчете следует учитывать некоторые неоднозначности. Например, чтобы получить 1M раствор данного вещества, растворяют в заведомо небольшом количестве воды точную его навеску, равную мол. массе в граммах, и доводят объем раствора до 1 л. Количество воды, необходимое для приготовления данного раствора, может слегка различаться в зависимости от температуры и давления. Поэтому два одномолярных раствора, приготовленных в разных условиях, в действительности имеют не совсем одинаковые концентрации. Моляльность вычисляется исходя из определенной массы растворителя (1000 г), которая не зависит от температуры и давления. В лабораторной практике гораздо удобнее отмеривать определенные объемы жидкостей (для этого существуют бюретки, пипетки, мерные колбы), чем взвешивать их, поэтому в научной литературе концентрации чаще выражают в молях, а моляльность обычно применяют только при особо точных измерениях.
Нормальность используется для упрощения расчетов. Как мы уже говорили, вещества взаимодействуют друг с другом в количествах, соответствующих их эквивалентам. Приготовив растворы разных веществ одинаковой нормальности и взяв равные их объемы, мы можем быть уверены в том, что они содержат одно и то же количество эквивалентов.
В тех случаях, когда трудно (или нет необходимости) делать различие между растворителем и растворенным веществом, концентрацию измеряют в мольных долях. Мольные доли, как и моляльности, не зависят от температуры и давления.
Зная плотности растворенного вещества и раствора, можно пересчитать одну концентрацию в другую: молярность в моляльность, мольную долю и наоборот. Для разбавленных растворов данного растворенного вещества и растворителя эти три величины пропорциональны друг другу.
Растворимость
данного вещества – это его способность образовывать растворы с другими веществами. Количественно растворимость газа, жидкости или твердого тела измеряется концентрацией их насыщенного раствора при данной температуре. Это важная характеристика вещества, помогающая понять его природу, а также влиять на ход реакций, в которых это вещество участвует.
Газы.
В отсутствие химического взаимодействия газы смешиваются друг с другом в любых пропорциях, и в этом случае говорить о насыщении нет смысла. Однако при растворении газа в жидкости существует некая предельная концентрация, зависящая от давления и температуры. Растворимость газов в некоторых жидкостях коррелирует с их способностью к сжижению. Наиболее легко сжижаемые газы, например NH 3 , HCl, SO 2 , более растворимы, чем трудно сжижаемые газы, например O 2 , H 2 и He. При наличии химического взаимодействия между растворителем и газом (например, между водой и NH 3 или HCl) растворимость увеличивается. Растворимость данного газа изменяется с природой растворителя, однако порядок, в котором располагаются газы в соответствии с увеличением их растворимости, остается примерно одинаковым для разных растворителей.
Процесс растворения подчиняется принципу Ле Шателье (1884): если на систему, находящуюся в равновесии, оказывается какое-либо воздействие, то в результате протекающих в ней процессов равновесие сместится в таком направлении, что оказанное воздействие уменьшится. Растворение газов в жидкостях обычно сопровождается выделением тепла. При этом, в соответствии с принципом Ле Шателье, растворимость газов уменьшается. Это уменьшение тем заметнее, чем выше растворимость газов: такие газы имеют и бóльшую теплоту растворения. «Мягкий» вкус кипяченой или дистиллированной воды объясняется отсутствием в ней воздуха, поскольку его растворимость при высокой температуре весьма мала.
С ростом давления растворимость газов увеличивается. Согласно закону Генри (1803), масса газа, который может раствориться в данном объеме жидкости при постоянной температуре, пропорциональна его давлению. Это свойство используется для приготовления газированных напитков. Углекислый газ растворяют в жидкости при давлении 3–4 атм.; в этих условиях в данном объеме может раствориться в 3–4 раза больше газа (по массе), чем при 1 атм. Когда емкость с такой жидкостью открывают, давление в ней падает, и часть растворенного газа выделяется в виде пузырьков. Аналогичный эффект наблюдается при открывании бутылки шампанского или выходе на поверхность подземных вод, насыщенных на большой глубине углекислым газом.
При растворении в одной жидкости смеси газов растворимость каждого из них остается такой же, как и в отсутствие других компонентов при таком же давлении, как в случае смеси (закон Дальтона).
Жидкости.
Взаимная растворимость двух жидкостей определяется тем, насколько сходно строение их молекул («подобное растворяется в подобном»). Для неполярных жидкостей, например углеводородов, характерны слабые межмолекулярные взаимодействия, поэтому молекулы одной жидкости легко проникают между молекулами другой, т.е. жидкости хорошо смешиваются. Напротив, полярные и неполярные жидкости, например вода и углеводороды, смешиваются друг с другом плохо. Каждой молекуле воды нужно сначала вырваться из окружения других таких же молекул, сильно притягивающими ее к себе, и проникнуть между молекулами углеводорода, притягивающими ее слабо. И наоборот, молекулы углеводорода, чтобы раствориться в воде, должны протиснуться между молекулами воды, преодолевая их сильное взаимное притяжение, а для этого нужна энергия. При повышении температуры кинетическая энергия молекул возрастает, межмолекулярное взаимодействие ослабевает и растворимость воды и углеводородов увеличивается. При значительном повышении температуры можно добиться их полной взаимной растворимости. Такую температуру называют верхней критической температурой растворения (ВКТР).
В некоторых случаях взаимная растворимость двух частично смешивающихся жидкостей увеличивается при понижении температуры. Этот эффект наблюдается в том случае, когда при смешивании выделяется тепло, обычно в результате химической реакции. При значительном понижении температуры, но не ниже точки замерзания, можно достичь нижней критической температуры растворения (НКТР). Можно предположить, что все системы, имеющие НКТР, имеют и ВКТР (обратное не обязательно). Однако в большинстве случаев одна из смешивающихся жидкостей кипит при температуре ниже ВКТР. У системы никотин–вода НКТР равна 61° С, а ВКТР составляет 208° C. В интервале 61–208° C эти жидкости ограниченно растворимы, а вне этого интервала обладают полной взаимной растворимостью.
Твердые вещества.
Все твердые вещества проявляют ограниченную растворимость в жидкостях. Их насыщенные растворы имеют при данной температуре определенный состав, который зависит от природы растворенного вещества и растворителя. Так, растворимость хлорида натрия в воде в несколько миллионов раз выше растворимости нафталина в воде, а при растворении их в бензоле наблюдается обратная картина. Этот пример иллюстрирует общее правило, согласно которому твердое вещество легко растворяется в жидкости, имеющей с ним сходные химические и физические свойства, но не растворяется в жидкости с противоположными свойствами.
Соли обычно легко растворяются в воде и хуже – в других полярных растворителях, например в спирте и жидком аммиаке. Однако растворимость солей тоже существенно различается: например, нитрат аммония обладает в миллионы раз большей растворимостью в воде, чем хлорид серебра.
Растворение твердых веществ в жидкостях обычно сопровождается поглощением тепла, и в соответствии с принципом Ле Шателье их растворимость должна увеличиваться при нагревании. Этот эффект можно использовать для очистки веществ методом перекристаллизации. Для этого их растворяют при высокой температуре до получения насыщенного раствора, затем раствор охлаждают и после выпадения растворенного вещества в осадок профильтровывают. Есть вещества (например, гидроксид, сульфат и ацетат кальция), растворимость которых в воде с ростом температуры уменьшается.
Твердые вещества, как и жидкости, тоже могут растворяться друг в друге полностью, образуя гомогенную смесь – истинный твердый раствор, аналогичный жидкому раствору. Частично растворимые друг в друге вещества образуют два равновесных сопряженных твердых раствора, составы которых изменяются с температурой.
Коэффициент распределения.
Если к равновесной системе двух несмешивающихся или частично смешивающихся жидкостей добавить раствор какого-либо вещества, то оно распределяется между жидкостями в определенной пропорции, не зависящей от общего количества вещества, в отсутствие химических взаимодействий в системе. Это правило получило название закона распределения, а отношение концентраций растворенного вещества в жидкостях – коэффициента распределения. Коэффициент распределения примерно равен отношению растворимостей данного вещества в двух жидкостях, т.е. вещество распределяется между жидкостями соответственно его растворимостям. Это свойство используется для экстракции данного вещества из его раствора в одном растворителе с помощью другого растворителя. Еще одним примером его применения является процесс экстракции серебра из руд, в состав которых оно часто входит вместе со свинцом. Для этого в расплавленную руду добавляют цинк, который не смешивается со свинцом. Серебро распределяется между расплавленным свинцом и цинком, преимущественно в верхнем слое последнего. Этот слой собирают и отделяют серебро дистилляцией цинка.
Произведение растворимости
(ПР ). Между избытком (осадком) твердого вещества M x B y и его насыщенным раствором устанавливается динамическое равновесие, описываемое уравнением
Константа равновесия этой реакции равна
и называется произведением растворимости. Она постоянна при данных температуре и давлении и является величиной, на основании которой рассчитывают растворимость осадка и изменяют ее. Если в раствор добавить соединение, диссоциирующее на ионы, одноименные с ионами малорастворимой соли, то в соответствии с выражением для ПР растворимость соли уменьшается. При добавлении же соединения, реагирующего с одним из ионов, она, напротив, увеличится.
О некоторых свойствах растворов ионных соединений .
