Общие положения теории растворов

Тема: Растворы 1. Общие положения теории растворов Растворами называются устойчивые гомогенные (однородные) системы, состоящие из двух или более компонентов. Компонентами растворов являются растворитель и растворенные вещества. Находящиеся в растворе частицы растворенного вещества могут иметь разный размер. В зависимости от размера растворенных частиц растворы делятся на истинные растворы и дисперсные гетерогенные (неоднородные) системы. В истинных растворах растворенные вещества в виде отдельных молекул или ионов равномерно распределены по всему объему системы среди частиц растворителя. Размеры обычных молекул и ионов не превышают 1 нм (10-9м), поэтому, истинные растворы являются гомогенными на молекулярном уровне. Истинные растворы, образуясь при простом соприкосновении компонентов, устойчивы во времени, т.е. они не разделяются самопроизвольно на исходные компоненты. В дисперсных гетерогенных системах растворенные частицы гораздо крупнее молекул. Такие системы состоят из сплошной непрерывной фазы растворителя – дисперсионной среды и находящихся в этой среде раздробленных частиц растворенного вещества – дисперсной фазы. В коллоидных растворах растворенные частицы могут иметь размеры в интервале 1-100 нм. Дисперсные гетерогенные системы неустойчивы, в них самопроизвольно происходят процессы, приводящие к укрупнению частиц растворенного вещества. Поэтому с течением времени такие системы разделяются на исходные компоненты (расслаиваются, рассеиваются, высыхают). Существуют газовые, жидкие и твердые растворы. Примером газового раствора является сжатый воздух – смесь газов O2, N2, CO2 и др. Жидкие истинные растворы получаются при растворении в жидком растворителе, например воде, газов (CO2), жидких (C2H5OH) или твердых веществ (NaCl). Примерами твердых растворов являются раствор газообразного водорода в твердой платине, амальгамы (раствор жидкой ртути в твердых металлах), гомогенные сплавы металлов. Наиболее распространены жидкие растворы, в которых растворителями являются вода, спирт, бензин, масло. Современная теория рассматривает процесс растворения как совокупность физико-химических процессов, включающих: - разрушение межмолекулярных связей между ионами, атомами или молекулами в растворяющемся веществе, что связано с затратой энергии; - взаимодействие молекул или ионов растворенного вещества с молекулами растворителя с образованием непрочных соединений переменного состава (гидратов, сольватов), что сопровождается выделением энергии. Общий энергетический эффект растворения зависит от соотношения выделяемой и поглощаемой энергии. Растворение большинства солей в воде протекает эндотермически, тепло поглощается из окружающей среды и раствор охлаждается. Растворение газов, щелочей и кислот в воде представляет экзотермический процесс, тепло выделяется и температура раствора повышается. 2. Способы выражения концентрации растворов В данной массе растворителя можно растворить разную массу растворяемого вещества. Важной характеристикой раствора является концентрация – содержание растворенного вещества в единице объема или массы раствора. Введем обозначения: - масса растворенного вещества; - масса раствора; - масса растворителя; - объем раствора; - молярная масса растворенного вещества. Массовая доля (ее иногда называют процентной концентрацией) растворенного вещества () - это масса растворенного вещества в граммах, содержащаяся в 100 г раствора. Единица измерения – проценты (%). Массовую долю растворенного вещества рассчитывают по формуле: где , имеют одинаковые единицы измерения. Молярная концентрация (молярность) - это число моль растворенного вещества, содержащееся в 1 л раствора. Единица измерения – моль/л. Молярную концентрацию рассчитывают по формуле: где измеряется в граммах, - в литрах. Моляльная концентрация (моляльность) - это число моль растворенного вещества, приходящееся на 1 кг растворителя. Единица измерения – моль/кг. Моляльную концентрацию рассчитывают по формуле: где и измеряются в граммах. Молярная и моляльная концентрации указывают на число частиц растворенного вещества в растворе, т.к. 1 моль любого вещества содержит число структурных единиц, равное числу Авогадро – 6,02 ∙1023. Примеры решения задач. Задача 1. Вычислить массовую долю сахара в растворе, состоящем из 20 г сахара, 200 г воды. Дано: Решение: Массовая доля сахара рассчитывается по формуле: Задача 2. Какая масса CuSO4 требуется для приготовления 500 мл раствора, молярная концентрация которого 0,1 моль/л? Дано: Решение: Молярная концентрация растворенного вещества рассчитывается по формуле: . Тогда: 3. Растворимость веществ Растворимость – это способность газов, жидкостей, твердых веществ переходить в раствор. Растворимость зависит от природы растворяемого вещества и растворителя. Растворимость может быть неограниченной и ограниченной. Неограниченная взаимная растворимость встречается только в таких системах, в которых растворитель и растворяемое вещество находятся в одинаковых фазах, например вода и этиловый спирт. Эти жидкости образуют раствор при смешивании в любых соотношениях. Если растворитель и растворяемое вещество находятся в разных фазах, то растворимость ограничена некоторым пределом. Раствор, содержащий максимальное количество растворяемого вещества, которое может раствориться в данном количестве растворителя при данной температуре, называется насыщенным. Насыщенный раствор находится в динамическом равновесии с растворяемым веществом. Концентрацию насыщенного раствора характеризует коэффициент растворимости – масса вещества в граммах, образующего насыщенный раствор в 100 г растворителя при данной температуре. Коэффициент растворимости различных веществ в воде изменяется в широких пределах. Если в 100 г воды растворяется более 10 г вещества, то такое вещество называют хорошо растворимым; если растворяется менее 1 г – малорастворимым, менее 0,01 г – нерастворимым. В таблице растворимости вещества обозначают соответственно Р, МР, НР. По количеству растворенного вещества растворы делятся на концентрированные и разбавленные. Концентрированные растворы содержат большое количество растворенного вещества. Разбавленные растворы содержат значительно больше растворителя по сравнению с растворенным веществом. Некоторые вещества способны образовывать пересыщенные растворы – метастабильные гомогенные системы, в которых концентрация растворенного вещества больше, чем в насыщенном при данной температуре растворе. 4. Факторы, влияющие на растворимость веществ в жидкостях Зависимость коэффициента растворимости от температуры изображают в виде кривых растворимости. С повышением температуры растворимость почти всех твердых веществ увеличивается (см. график ниже). Изменение растворимости при этом происходит неравномерно и у каждого вещества по-своему. Резко поднимающиеся вверх кривые растворимости показывают, что с повышением температуры растворимость этих солей резко увеличивается. Растворимость поваренной соли лишь незначительно изменяется по мере повышения температуры, о чем свидетельствует почти горизонтальная кривая ее растворимости. При растворении твердых веществ и жидкостей в воде объем системы обычно изменяется незначительно, поэтому растворимость этих веществ практически не зависит от давления. Растворение газов в воде представляет собой экзотермический процесс. Поэтому растворимость газов с повышением температуры уменьшается Если оставить в теплом помещении стакан с холодной водой, то стенки его изнутри покрываются пузырьками газа – это воздух, растворенный в воде, выделяется из нее вследствие нагревания. Кипячением можно удалить из воды почти весь растворенный воздух. Кроме температуры, на растворимость газов большое влияние оказывает давление, под которым находится газ. В общем виде зависимость растворимости газов от давления выражается законом Генри: при постоянной температуре растворимость газов в жидкости прямо пропорциональна его давлению над жидкостью. Эта закономерность объясняет причины кессонной болезни. Болезнь возникает, если водолаз очень быстро поднимается с большой глубины, где высокое давление сжатого воздуха обусловливает его высокую растворимость. На поверхности воды давление намного меньше, поэтому растворимость газов уменьшается. В крови быстро выделяется множество пузырьков воздуха, болезненно влияющих на нервные импульсы. Установлено, что, если в воде растворено какое-либо вещество, то в этом растворе газы растворяются обычно хуже, чем в чистой воде. Это объясняется тем, что растворенные вещества связывают часть молекул растворителя и на растворение газа остается меньшее количество несвязанного растворителя. С повышением концентрации раствора растворимость газов в нем уменьшается. Рассмотренная закономерность позволяет понять, почему концентрация растворенного из воздуха кислорода в соленой морской воде ниже, чем его концентрация в пресных (озерных, речных) водах. Этот факт играет большую роль в процессах коррозии металлов, а также в жизни обитателей водоемов. 5. Электрическая проводимость растворов Электролиты – это вещества, расплавы и растворы которых проводят электрический ток. Неэлектролиты – это вещества, растворы которых не проводят электрический ток. Большинство растворов органических веществ является неэлектролитами, например, растворы этилового спирта, сахара, этиленгликоля. Неэлектролиты в растворах находятся в виде молекул. Молекулы являются незаряженными частицами. Поэтому растворы неэлектролитов не проводят электрический ток. Электролиты в растворах и расплав диссоциируют (распадаются) на ионы. Ионы – это заряженные частицы. Катионы имеют положительный заряд (K+, Ca2+, Al3+), анионы – отрицательный заряд (Cl-, SO42-, PO43-). Ионы, существующие в растворах и расплавах электролитов, обеспечивают их электропроводность. Диссоциация электролита на ионы происходит под действием полярных молекул воды. Кислоты при диссоциации образуют катион водорода и кислотный осадок: HCl→H+ + Cl-. Основания при диссоциации образуют катион металла и гидроксильные группы: NaOH→ Na+ + OH-. Соли диссоциируют на катион металла и кислотный остаток: CaCl2→Ca2+ + 2Cl-. Если диссоциирует большая часть или все молекулы электролита, электролит является сильным. Если диссоциирует небольшая часть молекул электролита, электролит является слабым Диссоциация приводит к тому, что общее число частиц в растворе электролита больше числа растворенных молекул. Для учета этого вводят изотонический коэффициент () – отношение числа частиц в растворе к числу исходных частиц. Вычислим изотонические коэффициенты некоторых электролитов. (NaCl)=2 т.к. при диссоциации одной молекулы NaCl образуется две частицы: NaCl → Na+ + Cl-. (Ba(NO3)=3, т.к. при диссоциации одной молекулы Ba(NO3)2 образуется три частицы: Ba(NO3)2 → Ba2+ + 2NO3 -. Свойства растворов как коррозионных сред зависят от силы электролитов, образующих раствор. Сильными электролитами являются: 1. Сильные неорганические кислоты: HCl, HBr, HI, H2SO4, HNO3, HClO4. 2. Сильные основания (щелочи) - гидроксиды металлов, стоящих в ряду напряжений до магния: KOH,Ca(OH)2, NaOH, LiOH, Ba(OH)2 3. Cоли. Слабыми электролитами являются: 1. Слабые кислоты (кислоты, которые не относятся к сильным). 2. Слабые основания (основания, которые не относятся к сильным). 3 Вода.