Лекция по теме: «Растворы»

Понятие о дисперсных системах.

Дисперсными системами называются системы, в которых одно вещество, находясь в мелкораздробленном состоянии (дисперсная фаза), равномерно распределено в другом (дисперсная среда).

В зависимости от размеров частиц дисперсной фазы различают следующие дисперсные системы:

·        Грубодисперсные системы, размер частиц велик (эмульсии, суспензии). Примером может служить раствор глины в воде.

·        Коллоидные растворы (золи) (10^-9-10^-6). К ним можно отнести раствор кремниевой кислоты, растворы солей кремниевой кислоты (силикатный клей).

·        Истинные растворы, в которых размеры дисперсной фазы очень малы (10^-10-10^-9).

По агрегатному состоянию фаз Вильгельм Фридрих Оствальд предложил ставшую весьма распространенной классификацию:

Дисперсные системы изучает специальный раздел химии – коллоидная химия. Мы будем знакомиться в основном с третьей группой – истинными растворами.

Растворы — гомогенные (однородные) системы перемен­ного состава, которые содержат два или несколько ком­понентов.

По агрегатному состоянию растворы подразделяются:

Наиболее распространены жидкие растворы. Они состо­ят из растворителя (жидкости) и растворенных веществ (га­зообразных, жидких, твердых):

Жидкие растворы могут быть водные и неводные. Вод­ные растворы — это растворы, в которых растворителем является вода. Неводные растворы — это растворы, в кото­рых растворителями являются другие жидкости (бензол, спирт, эфир и т. д.).

На практике чаще применяются водные растворы.

Растворение веществ (образование растворов).

Растворение — сложный физико-химический процесс, который включает несколько стадий:

1. Разрушение кристаллической решетки растворенного вещества.

Рассмотрим растворение хлорида калия в воде.

Например, при внесении в воду кристалликов хлорида калия с их поверхности постепенно начинают отрываться ионы К⁺ и Сl^-.

Причиной этого являются собственные колебательные движения частиц и притяжение со стороны молекул растворителя.

2. Постепенный переход частиц, образующих кристалл, в раствор.

Рис. 1. Схема разрушения кристаллической решетки хлорида калия в воде

3. Распределение частиц, перешедших в раствор, по всему объему растворителя.

Растворы, компонентами которых являются ионы, называются ионными (растворы электролитов, так как они проводят электрический ток). Растворы, компонентами которых являются электро-нейтральные частицы, называются молекулярными (растворы неэлектролитов).

Долгое время считалось, что растворитель — это среда, химически инертная по отношению к растворенному веществу. То есть между частицами растворителя и частицами растворенного вещества отсутствует межмолекулярное взаимодействие, как и в обычных механических смесях.

Данная теория получила название физической теории растворов. Основоположниками физической теории являлись Якоб Г. Вант-Гофф (1885 г.) и Сванте А. Аррениус (1883 г.).

Впоследствии оказалось, что физическая теория применима лишь к небольшой группе так называемых идеальных растворов. Примерами идеальных растворов являются многие газовые растворы (газовые смеси), образованные из не реагирующих между собой газов. Как и отдельные газы, такие газовые растворы подчиняются газовым законам. Физические свойства таких смесей (плотность, давление и др.) вычисляются как аддитивные (от лат. – сложение), т. е. из свойств компонентов, составляющих смесь. Например, общее давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений14 ее компонентов (закон Дальтона, 1800 г.).

P_общ. = P₁ + P₂ + … P_n.

В 1887 г. Д.И. Менделеев предложил химическую, или сольватную (гидратную) теорию растворов. Он доказал, что в реальных растворах между молекулами растворителя и растворенного вещества происходит взаимодействие, которое носит различный характер:

1. Химическое (донорно-акцепторное взаимодействие) взаимодействие, между растворителем и растворенным веществом. Например, хлор, растворяясь, взаимодействует с водой с образованием хлорной воды:

Сl₂ + Н₂O → HCl + НОСl.

2. Ион-дипольное взаимодействие (при растворении веществ с ионной кристаллической решеткой). Например, в случае растворения хлорида натрия образуются ионы натрия и хлора, вокруг которых за счет сил электростатического притяжения удерживаются молекулы воды.

3. Диполь-дипольное взаимодействие (при растворении веществ с молекулярной кристаллической решеткой).

Доказательством физико-химического характера про­цесса растворения являются тепловые эффекты при раство­рении, т. е. выделение или поглощение теплоты.

Тепловой эффект растворения равен сумме тепловых эф­фектов физического и химического процессов. Физический процесс протекает с поглощением теплоты, химический — с выделением.

Если в результате гидратации (сольватации) выделяется больше теплоты, чем ее поглощается при разрушении струк­туры вещества, то растворение — экзотермический процесс. Выделение теплоты наблюдается, например, при растворении в воде таких веществ, как NaOH; AgNO₃; H₂SO₄, ZnSO₄ и др.

Если для разрушения структуры вещества необходимо больше теплоты, чем ее образуется при гидратации, то растворение — эндотермический процесс. Это происходит например, при растворении в воде NaNO₃; КСl; K₂SO₄; KNO₂; NH₄Cl и др.

Итак, разрушение структуры растворяемого вещества и распре­деление его частиц между молекулами растворителя — это физический процесс. Одновременно происходит взаимо­действие молекул растворителя с частицами растворенного вещества, т. е. химический процесс. В результате этого взаимодействия образуются сольваты.

•       Сольваты — продукты переменного состава, которые об­разуются при химическом взаимодействии частиц раство­ренного вещества с молекулами растворителя.

Если растворителем является вода, то образующиеся сольваты называются гидратами. Процесс образования сольватов называется сольватаци­ей. Процесс образования гидратов называется гидратацией. Гидраты некоторых веществ можно выделить в кристал­лическом виде при выпаривании растворов. Например:

При растворении в воде сульфата меди (II) происходит его диссоциация на ионы:

CuSO₄ ⇄ Cu²⁺ + SO₄^2-

Образующиеся ионы взаимодействуют с молекулами воды:

При выпаривании раствора образуется кристаллогидрат сульфата меди (II) – CuSO₄•5Н₂O.

Кристаллические вещества, содержащие молекулы воды, называются кристаллогидратами.

Вода, входящая в их состав, называется кристаллиза­ционной водой. Примеры

Одновременно с процессом растворения происходит обратный процесс — процесс кристаллизации. Перешедшие в раствор молекулы находятся в непрерывном движении. Они могут столкнуться с твердой поверхностью еще не растворившегося вещества, снова притянуться к ней и вернуться в состав кристалла. Вероятность такого столкновения тем выше, чем выше концентрация частиц растворенного вещества. А так как концентрация частиц растворенного вещества растет по мере растворения, то в какой-то момент времени скорость растворения становится равной скорости кристаллизации. При этом в раствор переходит столько же частиц, сколько их выделяется из раствора. То есть вещество больше не растворяется.

Раствор, в котором данное вещество при данной температуре больше не растворяется (т. е. раствор, находящийся в равновесии с растворяемым веществом), называется насыщенным.

Раствор, в котором еще можно растворить добавочное количество данного вещества, называется ненасыщенным.

Раствор, содержащий растворенного вещества больше, чем его должно быть в данных условиях в насыщенном растворе, называется пересыщенным.

В спокойном состоянии они могут годами оставаться без изменения.

Но стоит бросить в раствор кристаллик того вещества, которое в нем растворено, как вокруг него начинают расти другие кристаллы и через некоторое время весь избыток растворенного вещества выкристаллизовывается. Иногда кристаллизация начинается от простого сотрясения раствора или от трения стеклянной палочкой о стенки сосуда, в котором находится раствор. При кристаллизации выделяется значительное количество теплоты, вследствие чего сосуд с раствором заметно нагревается. Очень легко образуют пересыщенные растворы глауберова соль, бура, тиосульфат натрия.

В итоге, пересыщенные растворы являются неустойчивыми системами. Они Способны к существованию только при отсутствии в системе твердых частиц растворенного вещества.

Количественной характеристикой растворимости явля­ется коэффициент растворимости.

Коэффициент растворимости показывает, какая макси­мальная масса вещества может раствориться в 1000 мл ра­створителя при данной температуре. Растворимость выражают в граммах на литр (г/л).

По растворимости в воде вещества делят на 3 группы:

Растворимость веществ зависит от природы растворителя, от природы растворенного вещества, температуры, давления (для газов). Растворимость газов при повышении тем­пературы уменьшается, при повышении давления — увеличивается.

Зависимость растворимости твердых веществ от темпе­ратуры показывают кривые растворимости. Ра­створимость многих твердых веществ увеличивается при повышении температуры.

По кривым растворимости можно определить:

1) коэф­фициент растворимости веществ при различных темпера­турах;

2) массу растворенного вещества, которое выпадает в осадок при охлаждении раствора от t₁°С до t₂°С.

Процесс выделения вещества путем испарения или ох­лаждения его насыщенного раствора называется перекристаллизацией. Перекристаллизация используется для очис­тки веществ.

Важной характеристикой любого раствора является его состав.

Количественная характеристика состава растворов

Для качественной характеристики растворов использу­ют понятия «разбавленный раствор» (содержит мало раство­ренного вещества) и «концентрированный раствор» (содер­жит много растворенного вещества). Но границы между ними условны.

При работе с растворами необходимо знать их количе­ственный состав. Количественный состав растворов выра­жается различными способами. Мы изучим два способа: массовая доля растворенного вещества и молярная концен­трация (молярность).

Массовая доля растворенного вещества

•       Массовой долей растворенного вещества называется отно­шение массы растворенного вещества к массе раствора:

, где

ω — массовая доля растворенного вещества, выраженная и долях единицы;

m(в-ва) — масса растворенного вещества, г;

m(р-ра) — масса раствора, г.

Массовую долю можно выражать также в процентах (%):

, где

Массовую долю растворенного вещества в процентах (%) часто называют процентной концентрацией раствора.

Молярная концентрация

•       Молярная концентрация показывает число молей раство­ренного вещества в одном литре раствора.

Молярную концентрацию можно рассчитать по формуле

На практике часто переходят от одного способа выра­жения концентрации к другому по известной плотности раствора, применяя формулу т = ρ • V.