Лекция 9 растворы

Общие положения

Раствор – это однородная (гомогенная) многокомпонентная система, состоящая из растворителя, растворенных веществ и продуктов их взаимодействия.

Растворитель – это вещество, в среде которого равномерно распределены в виде молекул или ионов растворенные соединения. Растворителем считают тот компонент, который в чистом виде существует в том же виде, что и полученный раствор. Если компоненты до растворения находились в одинаковом агрегатном состоянии, например, спирт и вода, то растворителем считается тот компонент, который находится в большем количестве.

Размеры частиц в истинных растворах ≤ 10^-9м (порядка размеров молекул и ионов).

По агрегатному состоянию растворы могут быть жидкими (морская вода), газообразными (воздух) или твердыми (многие сплавы металлов).

Растворение – это самопроизвольный процесс взаимодействия растворителя и растворяемого вещества, протекающий для кристаллических соединений с увеличением, а для газов с уменьшением энтропии и уменьшением энергии Гиббса системы, называемый сольватацией (если растворитель вода, то гидратацией).

Растворение протекает с образованием различных по форме и прочности продуктов – сольватов или гидратов. При этом участвуют силы как физической, так и химической природы. И как следствие, процесс растворения компонентов сопровождается различными тепловыми явлениями. Энергетической характеристикой растворения является теплота образования раствора, рассматриваемая как сумма тепловых эффектов всех эндо- и экзотермических стадий процесса. Наиболее значительными из них являются:

- поглощающие тепло процессы (эндотермические), такие как разрушение кристаллической решетки, разрывы химических связей в молекулах и т.д.

- выделяющие тепло процессы (экзотермические), в основном, образование продуктов взаимодействия растворенного вещества с растворителем (гидраты, сольваты) и др.

Если энергия разрушения кристаллической решетки меньше энергии образования сольватов или гидратов растворенного вещества, то растворение происходит с выделением теплоты. Например, при растворении гидроксида натрия NaOH идет выделение теплоты (экзореакция): на разрушение кристаллической решетки тратится 884кДж/моль, а при образовании гидратированных ионов Na⁺ и ОН^- выделяется соответственно 422 и 510 кДж/моль (в общем 422 +510 = 932 кДж/моль).

Если энергия кристаллической решетки больше энергии гидратации, то растворение протекает с поглощением теплоты (например, при приготовлении водного раствора нитрата аммония NH₄NO₃ наблюдается понижение температуры).

Если молекулярные или ионные частицы, распределенные в жидком растворе, присутствуют в нем в таком количестве, что не происходит дальнейшего растворения вещества, такой раствор называется насыщенным. Насыщенный раствор находится в равновесии с фазой, представляющая собой избыток растворенного вещества. Избыточное количество вещества не всегда выпадает в осадок и образуется пересыщенный раствор. Пересыщенные растворы очень неустойчивы: помешивание, добавление крупинок вещества может вызвать кристаллизацию избытка вещества и переход в устойчивое насыщенное состояние. Ненасыщенный раствор всегда содержит меньше вещества, чем насыщенный.

Способность вещества образовывать с растворителями растворы называется растворимостью. Динамическое равновесие в растворах жидкостей устанавливается между растворением и образованием вещества. Концентрация такого раствора называется растворимостью Р. Растворимость определяется максимальным количеством вещества, способным раствориться в данном растворителе при определенных температуре и давлении.

Предельная растворимость многих веществ в воде или других растворителях представляет собой постоянную величину. Она является качественной характеристикой растворимости и приводится в справочниках в граммах на 100г растворителя (при определенных условиях).

Растворимость зависит от природы растворяемого вещества, растворителя, температуры и давления.

- Природа растворяемого вещества:

Растворяемые (кристаллические) вещества подразделяются на:

Р – хорошо растворимые ( более 1,0г на 100г воды)

М – малорастворимые ( 0,001-1,0г на 100г воды)

Н – нерастворимые (менее 0,001г на 100г воды)

- Природа растворителя: для образования новых связей компоненты раствора должны иметь однотипные связи. Поэтому ионные вещества хорошо растворяются в полярных растворителях и плохо – в неполярных, а молекулярные вещества (неполярные ковалентные связи) – в неполярных растворителях.

- Влияние температуры: если растворение идет с выделением тепла, то повышение температуры уменьшает растворимость вещества и наоборот. Для большинства солей характерно увеличение растворимости при нагревании. Практически все газы растворяются с выделением тепла. Растворимость газов в жидкостях с повышением температуры уменьшается, а с понижением – увеличивается.

- Влияние давления: с повышением давления растворимость газов в жидкостях увеличивается, а с понижением – уменьшается.

Способы выражения концентрации растворов

Отношение количества или массы вещества, содержащегося в системе (растворе), к объему или массе этой системы называется концентрацией. Существуют различные способы выражения состава раствора. Наиболее часто используют массовую долю растворенного вещества (ω) или процентную концентрацию, молярную концентрацию (С) и молярную концентрацию эквивалентов (С_эк).

1) Массовая доля растворенного вещества (ω) – это безразмерная величина, равная отношению массы растворенного вещества (m) к общей массе раствора (m_р):

ω = m / m_р

Массовую долю растворенного вещества обычно выражают в долях единицы или в процентах.

2) Молярная концентрация показывает, сколько молей растворенного вещества содержится в 1л раствора. Имеет размерность моль/л.

С = ν / V = m / MV

где ν – количества молей вещества;

V – объем раствора, л

m - масса растворенного вещества, г

M – молярная масса растворенного вещества, г/моль

3) Молярная концентрация эквивалентов: обозначает число молярных масс эквивалентов вещества в 1л раствора. Размерность – моль-экв/л.

С_эк = ν_эк / V = m / MэкV

где ν_эк – количества молей эквивалентов вещества;

V – объем раствора, л

m - масса растворенного вещества, г

M_эк – молярная масса эквивалентов растворенного вещества, г/моль

Если концентрация раствора выражена в молярной концентрации эквивалентов, то произведение объема раствора на эту величину представляет собой число эквивалентов соответствующего вещества в данном растворе. При разбавлении или концентрировании такого раствора общее количество эквивалентов растворенного вещества не изменится. Отсюда следует, что при разбавлении или концентрировании оказывается справедливым равенство, с помощью которого легко может быть вычислена концентрация вновь полученного раствора:

С_{эк 1}* V₁ = С_{эк 2}* V₂

Кроме вышеперечисленных способов, концентрацию растворов иногда выражают количеством молей растворенного вещества в 1000г растворителя. Такое выражение концентрации называют моляльностью раствора (С_m). Единица измерения – моль/кг.

С_m = ν_в.в./ m_р = m_в / М*m_р

где ν_в.в – количество молей вещества

m_р – масса раствора

m_в – масса растворенного вещества

М – молярная масса растворенного вещества

Иногда для выражения концентрации растворов пользуются понятием титра. Титр (Т) – число граммов или миллиграммов растворенного вещества, содержащегося в 1мл раствора.

Титр и молярная концентрация эквивалентов вещества связаны следующим соотношением:

Т = С_эк*М_э/ 1000