Растворы
Растворы – это однородные гомогенные системы, состоящие из частиц растворенного вещества, растворителя и продуктов их взаимодействия. Растворенное вещество равномерно распределено в растворителе. Раствор может состоять из двух и более компонентов.
Растворы бывают жидкие, твердые и газообразные.
Растворитель – это то вещество, которое не изменяет агрегатное состояние при растворении. В случае смешения веществ с одинаковым агрегатным состоянием (жидкость-жидкость, газ-газ, твердое-твердое) растворителем считается тот компонент, содержание которого больше.
Образование раствора зависит от характера взаимодействия частиц растворителя и растворенного вещества, и их природы.
В школьном курсе рассматриваются преимущественно растворы электролитов. В курсе ВУЗов рассматриваются также истинные и коллоидные растворы, золи и другие системы.
По способности растворяться вещества условно делят на:
- малорастворимые (от 0,001 до 1 грамма растворенного вещества на 100 грамм растворителя);
- растворимые (больше 1 г растворенного вещества на 100 г растворителя);
- нерастворимые (менее 0,001 г растворенного вещества на 100 г растворителя).
Обратите внимание!
При попадании в воду вещество может:
- раствориться в воде, то есть перемешаться с ней на атомно-молекулярном уровне ;
- химически прореагировать с водой;
- не раствориться в воде и химически не прореагировать.
Коэффициент растворимости – отношение массы растворенного вещества к массе растворителя (например, 10 г соли на 100 г воды).
По концентрации растворенного вещества растворы делят на:
Ненасыщенные растворы – это растворы, в которых концентрация растворенного вещества меньше, чем в соответствующем насыщенном растворе, и в котором при данных условиях можно растворить еще некоторое количества растворенного вещества.
Насыщенные растворы – это растворы, в которых достигнута максимальная концентрация растворенного вещества при данных условиях. Насыщенный раствор можно приготовить даже в бытовых условиях – например , раствор поваренной соли в воде. Если в стакан воды постепенно добавлять соль, рано или поздно соль перестанет растворяться. Это и будет насыщенный раствор.
Пересыщенный раствор – это раствор, в котором концентрация растворенного вещества больше, чем в насыщенном. Избыток растворенного вещества легко выпадает в осадок. Приготовить пересыщенный раствор можно, например, с помощью охлаждения насыщенного раствора поваренной соли. При понижении температуры растворимость поваренной соли уменьшается, и раствор становится пересыщенным.
По концентрации растворенного вещества растворы также разделяют на концентрированные и разбавленные:
Концентрированные растворы – это растворы с относительно высоким содержанием растворенного вещества.
Разбавленные растворы – это растворы с относительно низким содержанием растворенного вещества.
Это деление очень условно, и не связано с делением раствора по насыщенности. Разбавленный раствор может быть насыщенным, а концентрированный раствор не всегда может оказаться насыщенным.
Физические величины, характеризующие состав раствора – это массовая доля, массовый процент, молярность (молярная концентрация), мольная доля, мольный процент, мольное соотношение, растворимость (для насыщенных растворов), объемная доля, объемный процент и некоторые другие величины, которые проходятся в курсе ВУЗов (нормальность или нормальная концентрация, моляльность, титр).
Остановимся подробнее на каждой из них:
1. Массовая доля, масс. доли — это отношение массы растворенного вещества mр.в. к массе раствора mр-ра, выраженное в долях от единицы. Долю можно также выразить в процентах, умножив на 100, тогда мы получим массовый процент, масс. %.
Задачи на материальный баланс с использованием массовой доли — обязательный компонент экзаменов по химии (и не только!) разных уровней. Научиться решать задачи на массовую долю и материальный баланс (смешение, разбавление, концентрирование и приготовление растворов) можно здесь!
2. Молярная концентрация (молярность), моль/л, М – это отношение количества растворенного вещества ν, моль к объему всего раствора Vр-ра, л. Концентрация 1 моль растворенного вещества на 1 литр раствора также обозначается так: 1 М. Такой раствор называют «одномолярный». Двухмолярный раствор — 2 М соответствует концентрации 2 моль растворенного вещества на 1 литр раствора и т.д.
Задачи на молярную концентрацию, как правило, встречаются в курсе ВУЗов, в химических олимпиадах и вступительных экзаменах в ВУЗы. Научиться решать задачи на молярную концентрацию можно здесь.
3. Мольная доля, мольн. дол. – это отношение количества растворенного вещества νр.в., моль к общему количеству вещества всех компонентов в растворе νр-ра, моль:
Мольная доля также может быть выражена в мольных процентах (% мольн.), если умножить долю на 100%. Задачи на мольную долю встречаются в курсе ВУЗов, олимпиадах и вступительных экзаменах. Научиться решать задачи на мольную долю можно здесь.
4. Объемная доля, объемн. дол. – это отношение объема растворенного вещества Vр.в., л к общему объему раствора или смеси Vр-ра, л:
Объемная доля также может быть выражена в объемных процентах (% объемн.), если умножить долю на 100%. Задачи на объемную долю, как правило, сводятся к решению задач на мольную долю, т.к. для газовых смесей объемные и мольные доли компонентов в смеси равны.
5. Мольное соотношение – это отношение количества растворенного вещества к количеству вещества растворителя. Также может использоваться массовое соотношение и объемное соотношение.
6. Растворимость – это отношение массы растворенного вещества к массе растворителя (применяется, как правило, для насыщенных растворов).
7. Титр, г/мл – это отношение массы растворенного вещества mр.в., г к объему раствора, выраженному в миллилитрах Vр-ра, мл:
8. Моляльность.
9. Нормальная концентрация (нормальность)
По механизму растворения растворы делят на физические и химические.
Физическое растворение — это растворение, при котором происходит разрыв и образование только межмолекулярных связей (включая водородные). Физически растворяются только некоторые вещества с молекулярной кристаллической решеткой. Например, растворение нафталина в спирте и воде — опыт.
Химическое растворение — это растворение, при котором разрушаются химические связи в веществе. Химическое растворение, как правило, сопровождается электролитической диссоциацией растворяемого вещества. Подробнее про электролитическую диссоциацию и химическое растворение здесь.
Важно! Подобное хорошо растворяется в подобном. Неполярные растворители хорошо растворяют неполярные вещества. Полярные растворители хорошо растворяют полярные вещества. Понимание механизмов растворения, природы растворяемого вещества и растворителя позволяет легко определить растворимость одного вещества в другом.
Источник
Лекция 9. Растворы. Способы выражения концентрации растворов. Свойства растворов
Ключевые слова: растворы, растворенное вещество, растворитель, растворимость, насыщенные и ненасыщенные растворы, массовая доля растворенного вещества, молярность, нормальность, моляльность, мольная доля, титр, осмотическое давление, понижение давления пара над раствором, эбулиоскопическая постоянная, криоскопическая постоянная.
Раствор — это твердая, жидкая или газообразная гомогенная система, состоящая из двух или более компонентов (составных частей), относительные количества которых могут изменяться в широких пределах. Всякий раствор состоит из растворенных веществ и растворителя, т. е. среды, в которой эти вещества равномерно распределены в виде молекул или ионов.
Раствор, в котором данное вещество при данной температуре больше не растворяется, т.е. раствор, находящийся в равновесии с растворяемым веществом, называют насыщенным, а раствор, в котором еще можно растворить дополнительное количество данного вещества, ненасыщенным.
Концентрацию растворов можно выражать следующими способами:
1. Процентная концентрация по массе (ω, %) — число единиц массы (например, число граммов) растворенного вещества (mр.в.), содержащихся в 100 единицах массы (например, в 100 граммах) раствора (mр-ра):
ω= (mр.в.·100%)/mр-ра.Например, 15% раствор хлорида натрия – это такой раствор, в 100 г которого содержится 15 г NaCl и 85 г воды.
2. Молярность(См) — числомоль (n) растворенного вещества, содержащихся в 1 л раствора: См = n/V. Так, 2МH2SO4 обозначает раствор серной кислоты, в каждом литре которого содержится два моля H2SO4, 196 г.
3. Молярная концентрация эквивалента (нормальность)(СН):— число моль эквивалентов (nэкв) растворенного вещества, содержащихся в одном литре раствора: Так, 2н. H2SO4 означает раствор серной кислоты, в каждом литре которого содержится два эквивалента, т. е. 98 г H2SO4.
4. Моляльность(Сm) — число молей растворенного вещества, приходящихся на 1000 г растворителя. Так, 2m H2SO4 означает раствор серной кислоты, в котором на 1000 г воды приходится два моля H2SO4. Мольно-массовая концентрация раствора – моляльность, в отличие от его молярности, не изменяется при изменении температуры.
5. Мольная доля(Ni) — отношение числа молей данного вещества (n1) к общему числу молей всех веществ (n1, n2), имеющихся в растворе: N1=n1/(n1+n2).
Пользуясь растворами, концентрация которых выражена нормальностью, легко заранее рассчитать, в каких объемных отношениях они должны быть смешаны, чтобы растворенные вещества прореагировали без остатка:
СН1V1= СН2V2, где СН1, СН2 – молярные концентрации эквивалента (моль) растворенного вещества 1 и 2 соответственно; V1, V2 – объемы растворов (л) 1 и 2 соответственно. Таким образом, объемы растворов реагирующих веществ обратно пропорциональны их нормальностям.
Свойства растворов. Относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором равно мольной доле растворённого вещества (закон Рауля, 1887 г.): N2 = [(Pо — P) / Pо], где N2 — мольная доля растворённого вещества; P0 — давление насыщенного пара растворителя над чистым растворителем (кПа), P — давление насыщенного пара растворителя над раствором (кПа).
Односторонняя диффузия растворителя в раствор через полупроницаемую перегородку называется осмосом.Объём раствора в результате осмоса увеличивается, при этом возникает давление на стенки сосуда, в котором находится раствор. Это давление называется осмотическим(Pосм,, кПа): Pосм = i·См·R·T, где См – молярная концентрация, R – универсальная газовая постоянная, T – температура, К
Изотонический коэффициент i (коэффициент Вант-Гоффа) —поправочный коэффициент, отражающий увеличение числа частиц в растворах электролитов по сравнению с растворами неэлектролитов той же концентрации.
Криоскопия— физико-химический метод исследования жидких растворов нелетучих веществ, основанный на измерении понижения температуры замерзания раствора по сравнению с температурой замерзания чистого растворителя.Понижение температуры (Δtзам) замерзания раствора:
Δtзам = i·K·Cm, где К — криоскопическая постоянная растворителя -величина понижения температуры замерзания раствора, в котором содержится 1 моль растворенного вещества в 1 кг растворителя, Cm — моляльная концентрация раствора.
Эбуллиоскопия— метод изучения жидких растворов нелетучих веществ, основанный на измерении повышения температуры кипения раствора по сравнению с температурой кипения чистого растворителя. Повышение температуры кипения (Δtкип) раствора:Δtкип = i·E·Cm, где Е — эбуллиоскопическая постоянная (константа) растворителя—величина повышения температуры кипения раствора, в котором содержится 1 моль растворенного вещества в 1 кг растворителя. Изотонический коэффициент (i) связан со степенью диссоциации (α) электролита соотношением α =[(i — 1) / (k — 1)], где k — число ионов, на которые распадается при диссоциации молекула электролита (для KCl k=2, для ВаС12 и Na2SO4 k = 3 и т. д.).
Контрольные вопросы:
1. Из каких компонентов состоит раствор?
2. Какие растворы называются насыщенными?
3. Перечислите основные способы выражения концентрации растворов.
4. Что означают записи: 2,5 М NaOH, 0,1 н H2SO4?
Список рекомендуемой литературы:
1. Глинка Н.Л. Общая химия: учеб. пособие для вузов / Н.Л. Глинка. — М.: КНОРУС, 2009. — С. 217 — 236.
2. Коровин Н.В. Общая химия: учебник для технических направл. и спец. вузов — 7-е изд., испр. — М.: Высшая школа, 2006. — С. 204.
Источник
