Теоретичні відомості Дисперсні системи. Розчини

Системи, в яких одна речовина рівномірно роздрібнена до час­тинок мікроскопічних розмірів у іншій, називають дисперсними.

Дисперсні системи складаються із дисперсної фази та дисперсій­ного середовища. Прикладами дисперсних систем є дим, туман тощо. У димі дисперсною фазою є частинки сажі, в тумані - частинки води. Дисперсійним середовищем в обох випадках є повітря.

Залежно від агрегатного стану дисперсної фази дисперсні сис­теми поділяють на грубодисперсні, колоїдні системи та справжні розчини.

Грубодисперсні системи характеризуються розміром частинок більше ніж 100 нм. їх поділяють на суспензії та емульсії.

Суспензії - це дисперсні системи, в яких дисперсною фазою є тверда речовина, а дисперсійним середовищем - рідина, при цьому тверда речовина та рідина нерозчинні одна в одній (порошок крей­ди у воді). В емульсіях дисперсною фазою та дисперсійним середо­вищем є рідина. Прикладом емульсії є молоко, в якому дрібні куль­ки масла плавають у рідині. Суспензії та емульсії являють собою гетерогенні системи. Стійкість суспензій та емульсій залежить від розміру частинок: чим дрібніші частинки, тим довше вони існують.

Колоїдні системи характеризуються розміром частинок диспер­сної фази від 1 до 100 нм. Колоїдні частинки складаються з вели­кої кількості молекул або йонів. Вони є високодисперсними (ульт-рамікрогетерогенними) системами, які агрегативно нестійкі. Без спеціальної стабілізації колоїдні частинки об'єднуються й осіда­ють. Прикладами колоїдних систем є розчини желатину, клею, деяке кольорове скло. Більшість основ існують у вигляді колоїд­них систем. У процесі утворення справжніх розчинів розчинена в них речовина розкладається на молекули або йони. Розчинена ре­човина та розчинник утворюють одну рідку фазу, не розділену на дисперсну фазу та дисперсійне середовище.

Розчинами називають однорідні (гомогенні) системи, які скла­даються з двох або більше компонентів, відносна кількість яких може змінюватися в широких межах без порушення однорідності.

Компонентами розчину називають розчинник та розчинені в ньому речовини.

Розчинник - це середовище, в якому розчинені речовини рівно­мірно розподілені у вигляді молекул або йонів.

Розчинником прийнято вважати компонент, агрегатний стан якого не змінюється при утворенні розчину або вміст якого пере­важає вміст інших компонентів. Поняття розчинник і розчинена речовина умовні. Наприклад, при змішуванні чистої води та твер­дої речовини солі одержують рідкий розчин. У даному випадку роз­чинником є вода. Якщо обидва компоненти до розчинення перебу­вали в одному агрегатному стані, то розчинником вважається ком­понент, взятий у більшій кількості, а якщо їхні об'єми однакові, то байдуже, який із компонентів називати розчинником, а який розчиненою речовиною.

Розчини класифікують за рядом ознак:

• залежно від природи розчинника розчини поділяють на водні та неводні (спиртові, бензольні тощо);

• залежно від концентрації йонів гідрогену розчини можуть бути кислими, нейтральними та лужними;

• залежно від агрегатного стану розчинника та розчиненої ре­човини розчини поділяють на газоподібні, рідкі та тверді.

Прикладом газоподібних розчинів є повітря. Воно складається з азоту, кисню, оксиду карбону (IV), водяної пари та благородних газів. Молекули цих речовин, незалежно від їхнього походження, поводять себе як молекули газу, тобто повітря є гомогенною систе­мою.

До твердих розчинів належить більшість металевих сплавів. Сталь, наприклад, є кристалічним розчином карбону в залізі Найбільше поширені і вивчені рідкі водні розчини. Це пояс­нюється тим, що більшість хімічних реакцій відбуваються у вод­них розчинах, оскільки лише в них є сприятливі умови для пере­сування та тісного зближення частинок, які необхідні для вияв­лення хімічних сил. Велику роль відіграють розчини у життєді­яльності живих організмів. Процеси засвоєння поживних речовин людиною, твариною та рослиною пов'язані з переходом харчових речовин у розчин. Розчинами є важливі фізіологічні рідини - кров, лімфа тощо. Важливе значення мають розчини у фармацевтичній практиці. Це найбільша група серед лікарських форм. Розчини мають ряд переваг: швидше всмоктуються організмом людини, (отже, швидше досягається лікувальний ефект) виключається под­разнення слизової оболонки, зручні для вживання. Технологія при­готування та дозування розчинів відзначається простотою.

Рідкі розчини можна одержати розчиненням газу в рідині (на­приклад, газована вода є розчином оксиду карбону (IV) у воді), ріди­ни в рідині (розчин спирту у воді), твердої речовини в рідині (роз­чин солі у воді) тощо.

Основні параметри стану розчину - це температура, тиск та концентрація.

Залежно від концентрації розчиненої речовини розчини поділя­ють на розведені та концентровані.

Розведений розчин містить зовсім малу масу розчиненої речо­вини порівняно з масою розчинника. Наприклад, у 100 г води роз­чинено 5 г хлороводню. Розчин, який містить 36,5 г хлороводню в 100 г води, вважають концентрованим. Межі між розведеними та концентрованими розчинами умовні. Наприклад, для сульфатної кислоти концентрованим вважається розчин, який містить 96 г Н₂S0₄, для нітратної - 63 г HNO₃, для хлоридної - 37 г НС1 у 100 г води.

Найважливішою кількісною характеристикою будь-якого роз­чину є концентрація, яка вказує на масу або кількість розчиненої речовини, що міститься в одиниці маси або об'єму розчину або розчинника. Існують різноманітні способи вираження концентрації розчинів.

Масова частка - це маса розчиненої речовини в 100 г розчину. Наприклад, розчин з масовою часткою хлориду кальцію 5% містить 5 г хлориду кальцію в 100 г розчину. Оскільки маса розчи­ну дорівнює сумі мас розчинника та розчиненої речовини, то в на­веденому прикладі кожні 100 г розчину містять 5 г хлориду каль­цію та 95 г води. Масову частку розчину позначають літерою ώ

виражають у частках одиниці або у відсотках. На практиці найча­стіше застосовують відсотки.

Зв'язок між масовою часткою ώ, масою розчиненої речовини m_1; та масою розчину т₂ виражають формулою

ώ = m₁ • 100%.

т₂

Вираз концентрації розчину за допомогою масової частки ши­роко застосовується у фармацевтичній практиці. Масова частка належить до технічних концентрацій. Так на виробництві сульфат­ну, нітратну та хлоридну кислоти одержують у вигляді концент­рованих розчинів з масовими частками 96,63 (65) та 37% відповід­но. Ці розчини також характеризуються густиною (р, г/мл).

Мольну частку визначають відношенням кількості розчиненої речовини або розчинника до суми кількостей усіх компонентів роз­чину. Мольну частку позначають N₁ для розчинника, N ₂, N_s, N₄... для розчинених речовин. Для розчину, який складається з компо­нентів А, Б, В:

N_A = n_a.________; N_A = n_Б.________; N_A = n_В.________;

n_а + n_Б + n_В n_а + n_Б + n_В n_а + n_Б + n_В

де n_а + n_Б + n_В — кількість кожного компоненту в даному розчині. Сума мольних часток компонентів розчину дорівнює одиниці:

N_A + N_Б + N_{a =} 1.

Молярну концентрацію розчину (С_м) визначають кількістю роз­чиненої речовини, яка міститься в 1л розчину. Одиниці виміру — моль/л:

С_М = m / MV

Оскільки — m / M = n, тоді С_М = n / V

де m іМ — маса та молярна маса розчиненої речовини; V — об'єм розчину, л; n — кількість розчиненої речовини.

Співвідношення С_М = n / V показує, що молярна концентрація є відношенням кількості розчиненої речовини до об'єму розчину.

Молярну концентрацію позначають: 1 М - одномолярний розчин (С_м = 1 моль/л);

0,1 М - децимолярний розчин (С_м = 0,1 моль/л);

0,01 М - сантимолярний розчин (С_м = 0,01 моль/л);

0,001 М - мілімолярний розчин (С_м = 0,001 моль/л).

Молярну концентрацію розчину використовують під час вивчен­ні швидкості та механізму перебігу хімічних реакцій, при визначенні теплових ефектів реакцій, обчисленні констант дисоціації та гідро­лізу. Вони зручні тим, що значною мірою спрощують обчислення. При однаковій молярній концентрації рівні об'єми розчинів містять однакові кількості розчинених речовин. Для реакції

А + В = АВ,

де 1 моль речовини А реагує з 1 молем речовини Б, необхідно взяти рівні об'єми розчинів цих речовин з однаковою молярною концен­трацією. Якщо взаємодіє 1 моль речовини А з 2 молями речовини В, то об'єм розчину В необхідно взяти вдвічі більший, ніж об'єм розчину А, тощо.

Моляльна концентрація (С_м або т) показує, яка кількість роз­чиненої речовини припадає на 1 кг розчинника в даному розчині. Одиниці виміру - моль/кг. Так, 1 т розчину NаОН означає, що в 1 кг води даного розчину міститься 1 моль гідроксиду натрію, тоб­то 40 г.

Молярна концентрація еквівалента (еквівалентна або нор­мальна концентрація) С_н показує кількість моль-еквівалентів розчиненої речовини, яка міститься в1л розчину:

С_{н =} m / E_mV. Оскільки m / E_m = n, тоді С_{н =} n / V

Тема: ДОГЛЯД ЗА ЛАБОРАТОРНИМ ПОСУДОМ. СТЕРИЛІЗАЦІЯ 5

Тема: ЛАБОРАТОРНІ НАГРІВАЛЬНІ ПРИЛАДИ. 5

Тема: ЛАБОРАТОРНІ ТЕРЕЗИ 5

Тема: ТЕХНІКА РОБОТИ З РІЗНИМИ ВИДАМИ ПІПЕТОК, БЮРЕТОК 5

Тема: ВИЗНАЧЕННЯ ГУСТИНИ РОЗЧИНІВ 5

Тема: ТЕХНІКА ПРИГОТУВАННЯ РОЗЧИНІВ СОЛЕЙ, КИСЛОТ, ЛУГІВ ТОЧНОЇ ТА ПРИБЛИЗНОЇ КОНЦЕНТРАЦІЙ 5

Тема: ІНДИКАТОРИ 5

Тема: МІКРОСКОП ТА ТЕХНІКА МІКРОСКОПУВАННЯ 5

Тема: ІНСТРУМЕНТАЛЬНІ МЕТОЛИ АНАЛІЗУ 5

Теоретичні відомості 6

Лабораторний посуд 6

Вимірювальний посуд 7

Посуд спеціального призначення 8

Перша допомога в разі нещасних випадків 9

Тема: ДОГЛЯД ЗА ЛАБОРАТОРНИМ ПОСУДОМ. СТЕРИЛІЗАЦІЯ 14

Теоретичні відомості 14

Догляд за лабораторним посудом 14

Тема: ЛАБОРАТОРНІ НАГРІВАЛЬНІ ПРИЛАДИ. 18

Теоретичні відомості 18

Нагрівання 18

Прийоми поводження зі спиртівкою 18

Прийоми поводження з газовим пальником 19

Електронагрівальні прилади 21

Теоретичні відомості 24

Фільтрування 24

Центрифугування 25

Перекристалізація 26

Сублімація 26

Дистиляція, або перегонка 27

Тема: ЛАБОРАТОРНІ ТЕРЕЗИ 30

Теоретичні відомості 30

Правила роботи на аптечних (ручних) терезах 30

Будова аптечних терезів 30

Аналітичні терези 31

Правила роботи на аналітичних терезах 31

Порядок зважування на аналітичних терезах 32

Взяття наважки 32

Тема: ТЕХНІКА РОБОТИ З РІЗНИМИ ВИДАМИ ПІПЕТОК, БЮРЕТОК 34

Теоретичні відомості 34

Калібрування вимірювального посуду 34

Перевірка місткості мірної колби 34

Перевірка місткості піпетки 35

Калібрування бюреток 35

Тема: ВИЗНАЧЕННЯ ГУСТИНИ РОЗЧИНІВ 37

Теоретичні відомості 38

Визначення густини розчинів 38

Тема: ТЕХНІКА ПРИГОТУВАННЯ РОЗЧИНІВ СОЛЕЙ, КИСЛОТ, ЛУГІВ ТОЧНОЇ ТА ПРИБЛИЗНОЇ КОНЦЕНТРАЦІЙ 40

Теоретичні відомості 40

Дисперсні системи. Розчини 40

Тема: ІНДИКАТОРИ 50

Теоретичні відомості 50

Індикатори 50

Кислотно-основні індикатори 50

Тема: МІКРОСКОП ТА ТЕХНІКА МІКРОСКОПУВАННЯ 52

Теоретичні відомості 53

Будова мікроскопа 53

Приготування препаратів для мікроскопування 55

Догляд за мікроскопом та його зберігання 57

Тема: ІНСТРУМЕНТАЛЬНІ МЕТОЛИ АНАЛІЗУ 58

Теоретичні відомості 58

Інструментальні методи аналізу 58

Класифікація інструментальних методів 59

Чутливість і селективність інструментальних методів аналізу 59

Правильність і відтворюваність інструментальних методів аналізу 60

Аналітичні прилади 60

Електрохімічні методи 60

Оптичні методи аналізу. 61

Класифікація оптичних методів аналізу 61

Питання для самоконтролю 63

Як приклад розглянемо роботу деяких лабораторних приладів, а саме фотоелектроколориметра 63

ФОТОЕЛЕКТРОКОЛОРИМЕТРІЯ 63

Теоретичні ВІДОМОСТІ 63

Фотоелектроколориметрія 63

Фотоелектроколориметр ФЕК 56-М 64

Техніка роботи з приладом ФЕК бб-М 66

Підготовка приладу до роботи 66

Визначення оптичної густини дослідзкуваної речовини 66

Правила роботи з приладом 67

Побудова калібрувального графіка 67

де Е_т — еквівалентна маса розчиненої речовини.

Із співвідношення С_{н =} n / V випливає, що молярна концентрація еквівалента визначається відношенням числа моль-еквівалентів розчиненої речовини до об'єму розчину.

Наприклад, 1н. розчин сульфатної кислоти містить 1 моль-еквівалент Н₂S0₄, або 49 г в 1 л розчину; 0,01н. - 0,01 моль-еквівалент, або 0,49 г Н₂S0₄ в 1іл роз­чину.

Особливістю розчинів з молярною концентрацією еквівален­тів є те, що розчини з однаковою концентрацією реагують між со­бою в рівних об'ємах, оскільки містять рівні кількості моль-еквівалентів. Якщо розчини мають різні концентрації, то, відповідно до закону еквівалентів, їхні об'єми обчислюють із співвідношення

С_н1V_{1 =} С_н2V_2, або С_н1 / С_н2 = V₁ / V₂

V₁ і V_{2 -} об'єми розчинів реагуючих речовин; С_н1 С_{н2 -} моляр­ні концентрації еквівалентів цих розчинів.

Таким чином, об'єми розчинів реагуючих речовин обернено про­порційні до їх молярних концентрацій еквівалентів. Ці властивості розчинів використовують не лише для обчислення об'ємів, а й на­впаки - за об'ємами розчинів, які витрачені на реакцію, визнача­ють їхні концентрації.

Титр розчину (Т) показує, скільки грамів або міліграмів розчи­неної речовини міститься в 1 мл розчину. Одиниці виміру - г/мл або мг/мл:

Т = m / V

Так, якщо в1л розчину міститься 40 г гідроксиду натрію, то титр цього розчину дорівнює:

Т = 40 / 1000 = 0,0400 г/мл.

Між титром та молярною концентрацією еквівалента існує за­лежність:

Т = С_н Е_т / 1000

АЛГОРИТМ № 19

Техніка приготування розчинів за точно взятою наважкою

1. Вимийте мірну колбу хромовою сумішшю (див. алгоритм №3).

2. Сполосніть багаторазово мірну колбу водою з-під крана.

3. Сполосніть мірну колбу 3-4 рази дистильованою водою.

4. Зважте на аналітичних терезах на годинниковому склі або в бюксі розраховану наважку речовини, яку треба розчинити.

5. Акуратно висипте зважену речовину в мірну колбу через суху лійку.

6. Змийте залишки (з годинникового скла чи з бюкса) проми- валкою в лійку дистильованою водою.

7. Обмийте внутрішні стінки лійки і зовнішню частину труб­ки, трохи її піднявши.

8. Стежте за тим, щоб загальна кількість води для змивання з годинникового скла чи бюкса займала не більше половини колби.

9. Закрийте колбу пробкою.

10. Перемішуйте вміст обережними обертальними рухами (не перевертаючи колбу!) до повного розчинення наважки.

11. Доведіть вміст колби дистильованою водою до позначки: на­лийте з промивалки воду приблизно на 1 см нижче від позначки, покладіть колбу так, щоб позначка була на рівні очей, обережно по краплинах додавайте воду доти, поки нижня частина меніска не торкнеться позначки на шийці колби.

12. Закрийте добре колбу пробкою і перемішайте 12—15 разів.

АЛГОРИТМ № 20

Техніка приготування розчинів кислот, лугів і солей з фіксаналу

1. Вкладіть лійку в чисто помиту мірну колбу (якщо в ампулі суха речовина, то лійка теж повинна бути сухою).

2. Вкладіть у лійку спеціальний скляний бойок, сполосніть ди­стильованою водою.

3. Протріть ампулу спиртом, для того щоб зняти напис, і об­мийте її дистильованою водою.

4. Розмістіть ампулу в лійці так, щоб вона тонким увігнутим усередину дном торкалася бойка.

5. Пробийте скляною паличкою із загостреним кінцем збоку отвір в ампулі, де є заглибина. Вміст ампули потрапляє через лійку в колбу.

6. Обмийте з промивалки стінки ампули дистильованою водою через цей отвір (багаторазово, маленькими порціями).

7. Сполосніть стінки ампули зовні і викиньте її.

8. Сполосніть лійку і бойок.

9. Підніміть лійку і обмийте зовнішню частину трубки.

10. Обмийте верхню частину шийки мірної колби.

11. Стежте за тим, щоб кількість води в мірній колбі до кінця цих операцій не перевищувала ²/₃ об'єму колби.

12. Перемішайте обережно обертальними рухами вміст колби.

13. Доведіть вміст колби дистильованою водою до позначки: налийте з промивалки воду приблизно на 1 см нижче від позначки, покладіть колбу так, щоб позначка була на рівні очей, обережно по краплинах додавайте воду доти, поки нижня частина меніска не торкнеться позначки на шийці колби.

14. Закрийте добре колбу пробкою і її вміст перемішайте 12— 15 разів.

АЛГОРИТМ № 21 Техніка приготування розчинів за приблизно взятою наважкою

1. Зважте на технохімічних терезах речовину з точністю до со­тих (для приготування розчину лугу речовини відважте дещо більше, ніж розрахована кількість).

2. Розчиніть наважку (в мірній колбі, плоскодонній колбі).

3. Відміряйте воду мірним циліндром.

4. Установіть точну концентрацію приготовленого розчину тит­руванням (див. алгоритм № 27).

АЛГОРИТМ № 22

Техніка приготування точного розчину кислоти з концентрованого

1. Виміряйте ареометром густину концентрованої кислоти.

2. Визначте за таблицею її концентрацію.

3. Зробіть розрахунок.

4. Сполосніть суху бюретку із скляним краном 2 рази концен­трованою кислотою і заповніть її (див. алгоритм № 17).

5. Налийте в мірну колбу близько половини об'єму дистильо­ваної води.

6. Випустіть з бюретки концентровану кислоту з точністю до сотих часток мілілітра в мірну колбу.

7. Перемішайте розчин.

8. Охолодіть розчин.

9. Доведіть вміст колби до позначки (див. п. 13 і 14 алгоритму №20).

Приготування розчинів із заданою масовою часткою

Приготуйте розчин, який містить 10 г хлориду натрію та 100 г води. На технічних терезах зважте на годинниковому склі 10 г хло­риду натрію. Відміряйте циліндром 100 мл води. Перенесіть сіль у склянку місткістю 200-250 мл, залишки вмісту годинникового скла змийте водою із циліндра і влийте в склянку воду, яка зали­шилась. Розмішайте розчин скляною паличкою і вилийте його в мірний циліндр місткістю 100 мл до його об'єму. Визначте густи­ну розчину ареометром. Обчисліть масову частку хлориду натрію в приготовленому розчині і порівняйте її з даними довідкової таб­лиці. Обчисліть відносну похибку досліду. Обчисліть молярну, моляльну концентрації та титр приготовленого розчину.

Питання для самоконтролю

1. Що таке розчин?

2. Як поділяють розчини за агрегатним станом?

3. Що таке розчинник, розчинювана речовина?

4. Який процес називається розчиненням? Поясніть суть про­цесу розчинення.

5. Який розчин називається насиченим? Ненасиченим?

6. Які речовини вважають добре розчинними, малорозчинни­ми, практично нерозчинними?

7. Як впливають температура і тиск на розчинність твердих, рідких та газоподібних речовин?

8. Яке значення мають розчини в житті людей?

9. Які ви знаєте способи вираження складу розчинів?

10. Дайте визначення еквівалента та еквівалентної маси речо­вини.

11. Що таке титр?

12. Обчисліть еквівалентні маси речовин, формули яких такі: Н₃Р0₄, Ва(ОН)₂, Аl₂(SO)₄, Сu(NO₃)₂, КNO₃, NаСІ, Ге(ОН)₃, Н₄Р₂0₇.

Яку кількість концентрованої сульфатної кислоти (q = = 1,84 г/см³; 96 %) необхідно взяти для виготовлення 2 л 0,5 н. роз­чину?

Лабораторна справа. Практична робота 9.

Тема: ІНДИКАТОРИ

Матеріальне забезпечення

Індикатори: метилоранж, метиловий червоний, лакмус, фенол­фталеїн.

Навчальна мета

Знати

1. Види індикаторів.

2. Характеристику індикаторів.

Уміти

1. Приготувати розчини індикаторів (метилового оранжевого, метилового червоного, фенолфталеїну).

План проведення заняття

Індикатори, їх характеристика

Приготування розчинів індикаторів

а) метилового оранжевого;

б) метилового червоного;

в) фенолфталеїну