Документ 4744180

Растворами называют гомогенные многокомпонентные
системы, состоящие из двух или нескольких компонентов и
продуктов их взаимодействия. Состав растворов можно
менять в некоторых пределах без нарушения однородности.
КОНЦЕНТРАЦИЯ - относительное количество какого-либо
вещества в растворе.
Концентрация – отношение количества, массы или объема
вещества, содержащегося в системе, к объему или массе этой
системы.
В химической практике наиболее употребимы следующие
величины, выражающие содержание растворенного вещества
в растворе:
1. Массовая доля () либо массовая доля в процентах (,%)
– это доля, которую составляет масса растворенного
вещества (mв) от массы раствора (mр-ра):
где mв – масса растворенного вещества, кг;
mр-ра – масса раствора, кг.
Массовую долю растворенного вещества называют также
ПРОЦЕНТНОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ раствора.
Концентрация – это относительное количество
растворенного вещества в растворе.
Пример 1. Для лечения гипертонической болезни
(повышенное давление) применяют 25%-ный раствор
сульфата магния MgSO4. Это означает, что в 100 г такого
раствора содержится 25 г MgSO4. Здесь выделено слово
“раствора”. Действительно, если мы взвесим 25 г сульфата
магния и просто растворим в 100 г воды, то нужного нам
раствора не получим.
Как же приготовить 25%-ный раствор? Надо взвесить на
весах 25 г безводного сульфата магния и отмерить
мензуркой 75 мл воды (либо взвесить на весах 75 г воды,
что одно и то же). Затем сульфат магния надо высыпать в
воду и перемешать до полного растворения. Получится 100
г раствора (25 г + 75 г = 100 г), в котором массовая доля
сульфата магния составляет точно 25 %.
Если для взвешивания 25 г MgSO4 не найдется безводной
соли, а в наличии окажется только более распространенный
кристаллогидрат MgSO4. 7H2O, то необходимо взять больше
соли. Предварительно следует рассчитать, в каком количестве
MgSO4. 7H2O содержится 25 г MgSO4 и взвесить именно это
рассчитанное количество MgSO4·7H2O. Соответственно, на
приготовление такого раствора пойдет меньше воды, потому
что часть ее уже имеется в кристаллогидрате.
Пример 2. Для заливки в новый автомобильный
аккумулятор нужен 36%-ный раствор серной кислоты. Как
приготовить 10 кг данного раствора?
Это означает, что в 100 г такого раствора содержится 36 г
серной кислоты и 64 г воды (100 г - 36 г = 64 г.). Массовая
доля серной кислоты в таком растворе составляет 36%.
.
Разумеется, 100 г раствора – слишком маленькое
количество для автомобильного аккумулятора, поэтому
приготовим 10 кг раствора. Для этого увеличим все цифры в
100 раз. Итак, нам потребуется взвесить на весах (36 г х 100) =
3600 г или 3,6 кг крепкой (безводной) серной кислоты и
отмерить (64 г х 100) = 6400 г или 6,4 л дистиллированной
воды.
Осторожно смешаем серную кислоту с водой (происходит
сильный разогрев). Получим 10 кг 36%-ного раствора серной
кислоты, который после охлаждения можно заливать в
аккумулятор.
** Водитель, который не очень усердно изучал в школе химию,
может легко ошибиться, взяв вместо 3,6 кг серной кислоты 3,6
л серной кислоты. В этом случае аккумулятор будет испорчен,
потому что количество H2SO4 в растворе окажется намного
больше требуемого.
Дело в том, что серная кислота – довольно "тяжелая"
жидкость, ее плотность 1,84 кг/л. Можно подсчитать, какой
объем займет серная кислота массой 3,6 кг:
1 л H2SO4 весит 1,84 кг (плотность серной кислоты)
х л H2SO4 весят 3,6 кг
Отсюда х = 1 л.3,6 кг/1,84 кг = 1,956 л – такой объем (меньше
двух литров!) занимает концентрированная кислота весом 3,6
кг.
ЗАДАЧИ для самостоятельного решения (способы выражения
концентрации растворов)
1. Сколько воды будет затрачено на поглощение 224 л
газообразного SO3 (при н.у.), если в опыте получают
концентрированную (т.е. неразбавленную) серную кислоту H2SO4?
2. Сколько граммов поваренной соли получится, если выпарить 50 г
ее 10%-ного раствора?
3. Концентрированные растворы обычно тяжелее воды. Например,
плотность 50% раствора NaOH составляет 1,53 г/см3. Какой объем
занимают 100 г такого раствора? Сколько граммов NaOH растворено в
этом объеме?
4. Всем известная настойка йода представляет собой 5% раствор
иода в спирте. Сколько кристаллического иода и сколько спирта
необходимо взять для приготовления 10 г настойки иода?
2. Молярная концентрация (СМ) характеризует количество
растворенного вещества (nв) в одном литре раствора:
где V – объём раствора, л;
МВ – молярная масса вещества, кг/моль.
Размерность моль/л сокращённо обозначается
большой буквой М.
Например, запись: 0,1М НСl означает, что 0,1 моль НСl
растворено в одном литре раствора.
Зная число молей вещества в 1 л раствора, легко отмерить
нужное количество молей для реакции с помощью
подходящей мерной посуды.
В качестве примера рассмотрим получение нерастворимого в
воде хлорида серебра (AgCl) с помощью реакции обмена:
AgNO3 + NaCl = AgCl (осадок) + NaNO3
Кстати, не нужно запоминать, какие соли растворимы, а
какие нерастворимы в воде. Для этого существует таблица
растворимости.
Допустим, в лаборатории имеется раствор AgNO3,
концентрация которого 1 моль/л. Это означает, что в 1 л такого
раствора содержится 1 г/моль нитрата серебра.
По уравнению реакции на 1 г/моль AgNO3 нужен 1 г/моль
NaCl. Следовательно, если мы смешаем одинаковые объемы
растворов AgNO3 и NaCl одинаковой концентрации 1 моль/л, то
реакция пройдет до конца и в реакционной колбе окажется
только раствор нитрата натрия (NaNO3) в воде, а на дно сосуда
выпадет осадок хлорида серебра AgCl. При этом исходных
соединений в сосуде не останется.
Но как приготовить для реакции нужный раствор NaCl? Для
этого существуют специальные мерные колбы (см. рисунок).
Молекулярный вес NaCl составляет (23 + 35,5) = 58,5 а.е.м.
Следовательно, молекулярная масса NaCl (1 г/моль) равна 58,5
г. Взвесим это количество NaCl на весах и поместим кристаллы
в мерную колбу. Затем добавим немного воды и растворим
кристаллы, покачивая колбу. Когда вся соль растворится,
дольем раствор водой до метки.
Мерные колбы делают таким образом, что объем раствора
достигает точно 1 л, когда водный мениск (уровень воды,
слегка изогнутый силами поверхностного натяжения) касается
метки своей нижней частью. После этого раствор аккуратно
перемешаем.
** Молярную
концентрацию (или МОЛЯРНОСТЬ
растворов) принято обозначать буквой М.
Например, раствор концентрации 1 М содержит 1
моль вещества на литр раствора. Такой раствор
называют МОЛЯРНЫМ. Раствор концентрации 0,1 М
содержит 0,1 моль вещества на литр раствора и
называется ДЕЦИМОЛЯРНЫМ. Растворы
концентрации 0,01 М (или 0,01 моль на литр) иногда
называют САНТИМОЛЯРНЫМИ.
Итак, мы приготовили раствор NaCl, концентрация
которого составляет 1 моль/л, то есть одномолярный
или просто молярный раствор.
При смешивании любых равных объемов молярных
растворов AgNO3 и NaCl всегда будет получаться
только раствор NaNO3 в воде и осадок AgCl, не
содержащие примеси ни одного из исходных
реагентов. Отфильтровав осадок и промыв его водой,
мы получим чистую соль AgCl (она в воде практически
не растворяется). Упарив отфильтрованный раствор,
мы получим только чистый нитрат натрия NaNO3. Это
не удивительно, потому что смешивая равные
объемы растворов, мы берем одинаковое количество
молей (или частей моля) реагирующих веществ. В них
содержится одинаковое количество молекул AgNO3 и
NaCl, которые реагируют между собой без остатка.
Если бы мы взяли не молярные, а, например, 10%-ные
растворы AgNO3 и NaCl (одинаковые объемы), то в них бы
содержалось разное число молекул этих веществ и одна из
этих солей не израсходовалась бы полностью и осталась в
растворе. Какая же из двух солей оказалась бы в избытке?
Каждый способ выражения концентрации раствора удобен
в зависимости от цели, которую преследует химик или
технолог. Процентные концентрации более удобны в технике,
медицине, экологии. Молярные концентрации чаще
встречаются в лабораторной практике.
ЗАДАЧИ для самостоятельного решения (способы
выражения концентрации растворов)
1. Сколько граммов KNO3 необходимо взять для
приготовления 1 л раствора с концентрацией 0,5 моль/л
(0,5М)?
2. Сколько мл 100%-ной серной кислоты H2SO4 плотностью
1,84 г/мл необходимо взять для приготовления 250 мл раствора
серной кислоты с концентрацией 0,1М ?
3. Молярная концентрация эквивалента вещества (СN,
нормальная концентрация) – характеризует количество
вещества эквивалентов (nэ), содержащееся в одном литре
раствора:
где fэ – фактор эквивалентности.
Размерность [моль·экв./л] сокращенно обозначается
буквой н. Например, запись 0,1 н Н2SO4 означает, что 0,1 моль
эквивалент серной кислоты содержится в литре раствора.
4. Моляльная концентрация (Сm) – характеризует
количество растворенного вещества, содержащееся в 1 кг
растворителя (mр-ля):
[моль/1 кг],
5. Титр (Т) характеризует массу вещества, содержащуюся в
одном миллилитре раствора:
[г/мл]
6. Мольная доля (х) – характеризует долю, которую
составляет количество растворённого вещества от суммы
количества веществ всех компонентов раствора:
где nB – количество молей растворенного вещества;
nр-ля – количество молей растворителя.
7. Объемная доля вещества
–
отношение объёма
компонента, содержащегося в системе, к общему объёму
системы; выражается в долях единицы, процентах:
где
− объем растворенного вещества;
− объем раствора.
Растворителем называется компонент, концентрация которого
выше концентрации других компонентов,
остальные
составляющие компоненты раствора – растворенными
веществами.
В зависимости от размера растворенных частиц различают
следующие дисперсные системы:
− истинные растворы, в которых размер частиц меньше 10-9 м,
т.е. представляют размеры атомов или молекул;
− коллоидные растворы, у которых размер частиц в пределах
от 10-9 до 10-7 м;
− грубодисперсные растворы, у которых размер частиц
которых от 10-7 до 10-5 м
.
По агрегатному состоянию растворы могут быть:
газообразными – г-г (воздух), г-т (пыль, дым), г-ж (туман);
жидкими – ж-т (известковые растворы), ж-ж (молоко), ж-г
(мыльная пена);
твердыми – т-т (металлические сплавы), т-ж (влажный
грунт, жемчуг), т-г (газобетон, полистирол).
По типу взятого растворителя жидкие растворы могут быть
водные и неводные.
Растворы делятся на электролиты и неэлектролиты.
Вещества, которые в растворе или расплаве полностью или
частично распадаются на ионы и проводят электрический ток,
называются электролитами. Неэлектролиты – это вещества,
водные растворы и расплавы которых не проводят
электрический ток.
Идеальным называется раствор, в котором не происходит
химической реакции между компонентами, а силы
межмолекулярного
взаимодействия
между
взаимодействующими компонентами одинаковы.
РАСТВОРИМОСТЬ - способность вещества растворяться в том
или ином растворителе. Мерой растворимости вещества при
данных условиях является его содержание в насыщенном
растворе.
Растворимостью вещества называется его максимально
возможная, равновесная при данной температуре
концентрация. В большинстве таблиц она задается в граммах
вещества, содержащегося в 100 г растворителя.
РАСТВОР НАСЫЩЕННЫЙ - раствор, в котором данное
вещество при данной температуре уже больше не
растворяется. Насыщенный раствор находится в динамическом
равновесии с нерастворившимся веществом.
Насыщенный раствор представляет собой
гетерогенную систему.
Перенасыщенный раствор − раствор, содержащий больше
вещества, чем насыщенный.
Ненасыщенный раствор − раствор, содержащий меньше
растворенного вещества, чем насыщенный раствор.
Растворы с низким содержанием растворенного вещества
называются разбавленными, с высоким −
концентрированными.
Природа растворяемого вещества
В таблицах растворимости способность кристаллических
веществ к растворению в воде обозначается буквами.
Буквой Р обозначены соли, чья растворимость превышает 1 г
на 100 г Н2О.
Буквой М обозначены соли, растворимость на 100 г воды
которых находится в интервале от 0,001 до 1 г.
Буквой Н обозначены соли, растворимость которых меньше
0,001 г на 100 г воды при комнатной температуре.
Таблица растворимости солей, кислот, оснований в воде
Общие закономерности растворимости различных веществ:
а) подобное растворяется в подобном;
б) высокая растворимость может быть следствием
образования водородных связей (спирт – вода).
в) если растворение вещества является экзотермическим
процессом, то с повышением температуры его растворимость
уменьшается и наоборот.
Растворимость газов в жидкостях
Растворение газа в жидкости, как правило, является
процессом экзотермическим, поэтому с ростом температуры
растворимость газов в жидкости уменьшается (принцип ЛеШателье).
С повышением давления растворимость газов в
жидкостях увеличивается, а с понижением уменьшается.
Эта зависимость выражается законом Генри − Дальтона:
растворимость газа в жидкости при постоянной температуре
прямо пропорциональна его давлению над жидкостью:
где k − коэффициент пропорциональности, зависящий от
природы газа;
С − концентрация растворенного газа в жидкости.
Английский химик и физик Уильям ГЕНРИ William Henry,
1774–1836
Растворимость жидкостей в жидкостях может быть
полной (спирт – вода),
ограниченной (вода – анилин),
и жидкости могут быть практически нерастворимыми друг в
друге.
Как правило, растворимость жидкости в жидкости растет с
температурой, и при некоторой критической температуре
наблюдается полная взаимная растворимость.
Взаимная растворимость жидкостей мало зависит от
давления и заметно возрастает лишь при высоких давлениях.
Рисунок − Диаграмма растворимости системы
«анилин – вода»
Растворимость твердых веществ в жидкостях
Растворимость твердых веществ в жидкостях для
большинства веществ увеличивается с увеличением
температуры, а давление
практически не влияет на
растворимость. Добавки посторонних веществ снижают
растворимость данного вещества − меньше свободных
молекул растворителя (эффект высаливания).
Высаливание – выделение растворенного вещества из
раствора прибавлением другого вещества (чаще всего соли),
обладающего большей растворимостью.
Скорость растворения твердых веществ зависит от их
дисперсности – измельченный порошок растворяется
быстрее первоначального продукта.
В соответствии с законом С.А. Щукарева, скорость процесса
кристаллизации и обратного процесса растворения
определяется скоростью подвода или отвода вещества к
поверхности кристалла и описывается уравнением:
где  − коэффициент массоотдачи;
Cp − концентрация насыщения;
C − концентрация пересыщения;
S – площадь поверхности кристалла.
Закон распределения Нернста – Шилова: 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:
где Крас – коэффициент распределения;
Са и Сb – молярные концентрации веществ в растворах А и В,
моль/л.
НEPНCT (Nernst), Вальтер Герман 25 июня 1864 г. – 18 ноября
1941 г.Нобелевская премия по химии, 1920 г.
Свойства разбавленных растворов, зависящие только от
количества нелетучего растворенного вещества, называются
коллигативными (общими) свойствами.
4.1 Закон Рауля
Закон Рауля (1882 г.).
Понижение парциального давления пара растворителя над
раствором пропорционально мольной доле растворенного
вещества и не зависит от его природы:
где
– давление насыщенного пара растворителя
над чистым растворителем, Па;
хВ – мольная доля растворенного вещества.
Французский химик Франсуа Мари Рауль
10 мая 1830 г. – 1 апреля 1901 г.
Первое следствие из закона Рауля: повышение температуры
кипения Ткип над раствором пропорционально моляльной
концентрации раствора:
где Кэ – эбулиоскопическая постоянная растворителя;
Сm – моляльная концентрация, моль/1000 г .
Второе следствие из закона Рауля: понижение
температуры
замерзания
Тзам
над
раствором
пропорционально моляльной концентрации раствора:
где Кк – криоскопическая постоянная.
Эбулиоскопические и криоскопические постоянные Кэ и Кк
зависят от природы растворителя и численно равны
повышению
температуры
кипения
и
понижению
температуры замерзания одномоляльных растворов. Кэ и Кк
могут быть определены по уравнениям:
где Нкип. – удельная теплота испарения, Дж/г;
Ткип. – температура кипения чистого растворителя, K;
R – универсальная газовая постоянная, 8,31 Дж/моль∙K.
где Нкриcт. – удельная теплота кристаллизации, Дж/г;
Ткрист. – температура кристаллизации чистого
растворителя, К.
4.2 Осмотическое давление
Явление, связанное со способностью проходить через
мембрану молекул растворителя из менее концентрированного
раствора в более концентрированный раствор, называется
осмосом, а вызываемое им изменение давления по обе
стороны мембраны – осмотическим давлением.
Осмос
В 1887 г. Вант-Гофф вывел формулу для осмотического
давления:
Для растворов электролитов в это уравнение Вант-Гофф внес
поправку – изотонический коэффициент i:
Изотонический коэффициент − это отношение всех частиц,
находящихся в данном растворе N1 к числу растворенных частиц
N2 :
Изотонический
коэффициент
определяется
экспериментальных данных следующим образом:
из
К коллигативным свойствам растворов относятся понижение
давления пара растворителя над раствором, повышение
температуры кипения, понижение температуры замерзания.
Все эти свойства пропорциональны числу растворенных
частиц.
1. Определите понятия растворов, растворителя и
растворенного вещества.
2. Чем отличаются растворы от химических соединений и от
механических смесей?
3. Как классифицируются растворы в зависимости от размера
растворенных частиц и по агрегатному состоянию?
4. Какие растворы называют растворами электролитов и
неэлектролитов?
5. Чем отличаются идеальные растворы от неидеальных?
6. Какие растворы называют насыщенными, пересыщенными
и ненасыщенными ?
7. Что называют коэффициентом растворимости?
8. От каких факторов зависит растворимость веществ?
9. Что такое разбавленный и концентрированный растворы?
10. Сформулируйте закон распределения Щукарева и
Нернста − Шилова.
11. Сформулируйте законы Рауля (следствия) и принцип
Вант-Гоффа для растворов.
12. Что называют осмотическим давлением?
13. От чего зависят эбулиоскопическая и криоскопическая
постоянные?
14. Что означает выражение насыщенный пар?
15. Приведите определение парциального давления.
16. Что означает изотонический коэффициент?
17. Когда следует солить воду при варке картофеля − в
начале или в конце? Почему?
18. Почему через полупроницаемую перегородку проходят
молекулы воды и не проходят ионы поваренной соли?
19. Над океаном или морем давление паров воды ниже, чем
над озером или рекой с пресной водой. Почему влажность
воздуха на берегу океана или моря выше по сравнению с
влажностью воздуха около озера или реки? На берегу моря даже
выстиранное белье высыхает очень долго.
20. Если измерять температуры замерзания 0,01 М растворов
сахарозы, глюкозы, глицерина, то они окажутся равными минус
0,0186 °С, т. е. температуры замерзания понизятся на 0,0186 °С.
Но понижение температуры замерзания раствора хлорида
натрия NaCl той же концентрации окажется в два раза больше,
раствора хлорида кальция CaCl2 – в три раза, а раствора хлорида
алюминия AlCl3 – в четыре раза. Почему?
21. Почему при приготовлении варенья из слив, крыжовника
или вишни плоды рекомендуют прокалывать?