2. Концентрація розчинів

Склад розчинів може змінюватись у широких межах. Най­частіше його виражають через вміст розчиненої речовини, тобто через її концентрацію.

Якщо в розчині міститься кілька розчи­нених речовин, зазначають концентрацію кожної з них.

Існують різні способи вираження концентрації:

Масова частка w(Х) або масовий відсоток визначається відношенням маси розчиненої речовини m{Х) до загальної маси розчину m(розч.):

Якщо в розчині міститься одна розчинена речовина, то маса розчи­ну дорівнює сумі мас розчинника m(S) і розчиненої речовини m(Х):

Мольна частка X – це відношення чис­ла молів розчиненої речовини n(Х) до загального числа молівусіх речовин у розчині ∑n_i:

Для двокомпонентного розчину ∑n_i= n(S) + n(X), де n(S)- число молів розчинника, тому

Масова частка і мольна частка є безрозмірними величинами.

Моляльна концентрація, або моляльність, b{Х) – це відно­шення числа молів розчиненої речовини n(Х) до маси розчинни­ка, тобто

Молярна концентрація, або молярність, с(Х) – це відношен­ня числа молів розчиненої речовини до об'єму розчину:

Молярна концентрація еквівалентів (нормальна концентрація, нормальність) – це відношення числа молів еквівалентів розчиненої речовини до об'єму розчину:

с(Х) =

Оскільки між числом молів еквівалентів і числом молів молекул існує просте співвідношення, то таке саме співвідношення має місце між молярними концентраціями:

с(Х)= с(_{f екв}(Х)Х) f _екв(Х)

с(Х) =

3. Процес розчинення. Характеристика процесів, які супроводжують процес розчинення

Розчинення є складним фізико-хімічним процесом. Це, зок­рема, підтверджується тим, що розчинення супроводжується тепловими ефектами, іноді досить значними. Так, відомо, що під час розчинення сірчаної кислоти у воді виділяється значна кількість теплоти; навпаки, в разі розчинення хлориду калію у воді теплота поглинається і система охолоджується. У разі утворення істинних розчинів речовина, що розчиня­ється, подрібнюється до окремих молекул або іонів. Наприклад,під час розчинення кристалічного хлориду калію іони К⁺ та С1^-, що розміщені на поверхні кристала у вузлах кристалічної ґратки, гідратуються.

Для відокремлення цих іонів один від одного по­трібно затратити енергію, яка дорівнює енергії іонного зв'язку. Це досить значна величина, для КСl вона становить 707 кДж/моль. Якби не відбувалися інші процеси, то внаслідок розчинення 1 моль КС1 віл води температура системи знизилася б майже на 150 К; фактично температура знижується значно менше. Де­тальніше ці питання розглянуто в наступному розділі.

У разі розчинення полярної речовини у воді, наприклад ме­танолу, треба затратити енергію на розривання зв'язків між по­лярними молекулами. Ці зв'язки включають різні види міжмо­лекулярної взаємодії, серед яких найбільше значення мають водневі зв'язки. У разі розчинення неполярної речовини, наприклад вільного Вr₂, у воді розривання зв'язку між його молекулами зводиться до подолання дисперсійної взаємодії, що зв'язує молекули Вr₂ до розчинення.

Узагальнивши ці приклади, можна дійти висновку, що внас­лідок розчинення насамперед розриваються зв'язки між частин­ками речовини, яка розчиняється. Цей процес супроводжується затратою енергії, тобто ∆Н_{розр.зв.} > 0.

Проте приклади розчинення, що супроводжується виділен­ням теплоти, свідчать, що цей процес, безперечно не є єдиним. Рушійною силою розчинення є інший процес, у разі перебігу якого відбувається взаємодія між частинками речовини, що роз­чиняється, та молекулами розчинника. Цей процес називають сольватацією (або гідратацією, якщо розчинником є вода).

Сольватація включає різні види взаємодії, що залежать від природи частинок речовини, що розчиняється, і властивостей молекул розчинника. Якщо розчинювана речовина і розчинник складаються з по­лярних молекул, то між молекулами цих речовин відбувається орієнтаційна диполь-дипольна взаємодія. Прикладом може бути розчинення метанолу у воді. Молекули цих речовин зв'язані між собою також силами індукційної та дисперсійної взаємодії, але найбільший внесок роблять водневі зв'язки (зображено трьома точками):

У разі розчинення неполярної речовини в неполярному роз­чиннику (наприклад, брому в бензолі) сольватація зводиться тільки до дисперсійної взаємодії; у разі розчинення неполярної речовини в полярному розчиннику (брому у воді) до дис­персійної взаємодії додається також індукційна.

Під час розчинення іонної сполуки в полярному розчиннику іони, що утворюються, взаємодіють з диполями розчинника, притягуючи протилежно заряджені полюси і відштовхуючи од­нойменно заряджені, причому сили притягання переважають над силами відштовхування. Такий вид орієнтаційної взаємодії називають іон-дипольною взаємодією. Ця взаємодія доповню­ється дисперсійною та індукційною.

Іноді в процесі розчинення відбуваються глибші хімічні пере­творення. Наприклад, під час розчинення хлороводню у воді відбувається його іонізація, іон Н⁺ утворює донорно-акцепторний зв'язок з молекулою води:

Далі відбувається подальша сольватація іонів Н₃О⁺ і СІ^-.

Донорно-акцепторні зв'язки утворюються також під час сольватації іонів багатовалентних металлів, внаслідок чого в розчинах виникають сольватокомплекси. Наприклад, у разі роз­чинення у воді солей ВеСІ₂, АІСІ₃ і NaС1₂ у розчині виникають аквакомплекси [Ве(Н₂O)₄]²⁺, [А1(Н₂O)₆]³⁺, [Ni(H₂O)₆]²⁺, які далі додатково сольватуються молекулами води.

Отже, у процесі сольватації утворюються нестійкі сполуки з частинок розчиненої речовини і молекул розчинника. Ці сполуки називають сольватами (або гідратами, якщо розчинником є вода). Склад сольватів на відміну від сталого складу хімічних сполук не завжди є сталим, він залежить від концентрації роз­чину і температури.

У процесі сольватації виникають зв'язки між частинками розчинюваної речовини і молекулами розчинника, тому сольва­тація завжди супроводжується виділенням теплоти, отже, ∆H_сольв < 0.

Загальний тепловий ефект процесу розчинення ∆Н_розч скла­дається з теплоти, яка затрачається на розривання зв'язків між частинками розчинюваної речовини, та теплоти сольватації:

∆Н_розч = ∆Н_{розр.зв.} + ∆Н_сольв

Оскільки ∆Н_{розр.зв} > 0, а ∆Н_сольв < 0, то знак ∆Н_розч залежить від того, яка з цих складових робить більший внесок у загальне значення теплоти розчинення. Якщо ∆Н_{розр.зв} і ∆Н_сольв мають близькі абсолютні значення, то величина ∆H_розч наближається до нуля.

Під час розчинення змінюється не лише енергія, а й ентропія системи.

Ентропію розчинення можна подати як суму ентропії розривання зв'язків між частинками речовини, що розчиняється (∆S_{розр.зв})₎ ентропії сольватації (∆S_сольв) та ентропії дифузії час­тинок речовини, що розчиняється, в об'ємі розчинника (∆S_диф):

∆S_розч = ∆S_{розр.зв} + ∆S_сольв + ∆S_диф

Перші дві складові мають найбільше значення, тому під час розривання зв'язків між частинками речовини, що розчиняється, збільшується число частинок, які можуть руха­тись незалежно одна від одної, тому невпорядкованість системи і, відповідно, значення ентропії зростають, ∆S_{розр.зв} > 0. Навпа­ки, у разі сольватації ці частинки зв'язуються з молекулами розчинника, орієнтуються відносно одна одної, тому невпоряд­кованість системи зменшується, тобто ∆S_сольв < 0.

Залежно від природи речовин співвідношення ∆S_{розр.зв} і ∆S_сольв може змінюватись, внаслідок чого ентропія розчинення може набувати як додатних, так і від'ємних значень.

Найчастіше під час розчинення ентальпійний та ентропійний чинники діють один проти одного, розчинення є оборотним про­цесом. Проте іноді ці чинники спрямовують процес у бік утво­рення розчину, і розчинення стає необоротним. Прикладом може бути процес розчинення у воді метанолу або сірчаної кислоти.

За величинами ∆Н_розч і ∆S_розч за формулою Гіббса можна ви­значити вільну енергію розчинення. Якщо ∆G_розч стосуєтьтся стандартних умов, то ∆G⁰_розч показує, в якому напрямку процес мимовільно відбуватиметься для розчину, концентрація якого дорівнює 1 моль/л. Наприклад, якщо ∆G⁰_розч > 0, то частина розчиненої речовини виділиться з розчину, і його концентрація зменшиться. Якщо

∆G⁰_розч < 0 – розчинення відбувається до кінця.