Здавалка
Главная | Обратная связь

Спільне між розчинами і хімічними сполуками



розчинення речовин і хімічна взаємодія супроводжуються тепловими ефектами.

Тому розчини не можна цілком віднести ні до механічних сумішей, ні до хімічних сполук. Вони займають проміжне положення і є фізико-хімічними системами.

Розчини класифікуютьза агрегатним станом. Їх поділяють на наступні групи:

1. розчини газів в газах;

2. тверді розчини;

3. рідкі розчини:

1. розчини твердих тіл в рідинах;

2. розчини рідин в рідинах;

3. розчини газів в рідинах.

Основна характеристика кожного розчину – його концентрація. Вона показує, в якому співвідношенні (ваговому або об’ємному) взято розчинник і розчинена речовина. Як правило, розчинником виступає той компонент, який міститься в розчині у відносно більшій кількості. В хімії частіше за все використовують наступні види концентрацій:

1. процентна – виражена в вагових відсотках - С – кількість грамів розчиненої речовини в 100 г розчину;

2.молярна концентрація еквіваленту – нормальна - n–кількість моль - еквівалентів (грам-еквівалентів) розчиненої речовини в 1000 см3 розчину;

3. молярнаM - кількість молей розчиненої речовини в 1000 см3 розчину;

4. моляльна m – кількість молей розчиненої речовини в 100 г розчинника;

5. мольні долі та мольні процентиN– мольна доля показує, яку частину від загальної кількості молей розчину складає розчинена речовина або розчинник:

nb na

Nb= ---------- ; Na= ---------

na + nb na + nb

Мольні долі, збільшені в 100 разів, називаються мольними процентами;

6. титр Т - кількість грамів розчиненої речовини в 1 см3 розчинника

 

3.

 

Розчинністю називається здатність речовини розчинятися в тому чи іншому розчиннику. Мірою розчинності речовини за певних умов є концентрація її насиченого розчину. Тому чисельно розчинність можна виразити тими самими способами, що і концентрацію, наприклад у процентах розчиненої речовини або у грам-молекулах на 1л розчину. Дуже часто розчинність виражають також числом вагових частин безводної речовини, що насичує за певних умов 100 в.ч. розчинника; іноді виражену цим способом розчинність називають коефіцієнтом розчинності.

Розчинність різних речовин у воді коливається в широких межах. Якщо у 100 г води розчиняється більше 10 г речовини, то вважають, що така речовина добре розчинна; якщо розчиняється менше 1 г речовини - мало розчинна і, нарешті, практично нерозчинна, якщо у розчин переходить менше 0,01 г речовини.

Принципи, що дають змогу передбачити розчинність речовини, поки що невідомі. Але, звичайно, речовини, що складаються з полярних молекул, і речовини з іонним типом зв'язку краще розчиняються у полярних розчинниках (вода, спирти, рідкий аміак), а неполярні речовини - в неполярних розчинниках (бензол, сірковуглець).

Розчинення більшості твердих тіл супроводиться поглинанням теплоти. Це пояснюється затратою значної кількості енергії на руйнування кристалічної решітки твердого тіла, що звичайно не повністю компенсується енергією, яка виділяється при утворенні гідратів (сольватів). Застосовуючи принишк ле Шательє до рівноваги між речовиною у кристалічному стані і її насиченим розчином;

кристал + розчинник → насичений розчин ±Q,

приходимо до висновку, що, як правило, підвищення температури має приводити до збільшення розчинності твердих тіл. У тих випадках, однак, коли енергія гідратації (сольватації) досить велика, щоб утворення розчину супроводилось виділенням енергії, - розчинність із зростанням температури знижується. Так буває, наприклад, при розчиненні у воді лугів, багатьох солей літію, магнію, алюмінію.

Залежність між розчинністю і температурою дуже зручно зображати графічно - у вигляді кривих розчинності. Для побудови кривої розчинності відкладають на горизонтальній осі температуру, а на вертикальній - розчинність речовини при відповідній температурі.

При розчиненні твердих тіл у воді об'єм системи звичайно змінюється мало. Тому розчинність речовин, що перебувають у твердому стані, практично не залежить від тиску.

Рідини також можуть розчинятися у рідинах. Деякі з них необмежено розчиняються одна в одній, тобто змішуються одна з одною в будь-яких пропорціях, як, наприклад, спирт і вода, інші - взаємно розчиняються тільки до певної межі. Так, якщо збовтати діетиловий ефір з водою, то утворюються два шари: верхній - насичений розчин води в ефірі, а нижній - насичений розчин ефіру у воді. У більшості подібних випадків з підвищенням температури взаємна розчинність рідин збільшується доти, поки не буде досягнута температура, при якій обидві рідини змішуються в будь-яких пропорціях.

Температура, при якій обмежена взаємна розчинність рідин переходить у необмежену, називається критичною температурою розчинення. Так, при температурі, нижчій 66,4°С, фенол обмежено розчиняється у воді, а вода обмежено розчиняється у фенолі. Температура 66,4°С - критична температура розчинення для системи вода-фенол: починаючи з цієї температури, обидві рідини необмежено розчиняються одна в одній.

Як і у випадку розчинення твердих тіл, взаємне розчинення рідин звичайно не супроводиться значною зміною об'єму. Тому взаємна розчинність рідин мало залежить від тиску і помітно зростає лише при дуже високих тисках (порядку тисяч атмосфер).

Якщо у систему, що складається з двох рідин, які не змішуються, ввести третю речовину, здатну розчинятися у кожній з цих речовин, то розчинена речовина розподілятиметься між обома рідинами пропорційно своїй розчинності у кожній з них. Звідси випливає закон розподілу, згідно з яким речовина, здатна розчинятися у двох розчинниках, які не змішуються, розподіляється між ними так, що відношення її концентрацій у цих розчинниках при сталій температурі лишається сталим, незалежно від загальної кількості розчиненої речовини:

Тут С1 і С2 - концентрації розчиненої речовини у першому і другому розчинниках; К - так званий коефіцієнт розподілу.

Розчинення газів у воді - це екзотермічний процес. Тому розчинність газів з підвищенням температури зменшується. Якщо залишити у теплому приміщенні склянку з холодною водою, то внутрішні стінки її покриються бульбашками газу - це повітря, яке було розчинене у воді, виділяється з неї внаслідок нагрівання. Кип'ятінням можна видалити з води все розчинене в ній повітря (тому переварена вода має інший смак, ніж сира).

Але розчинення газів в органічних рідинах нерідко супроводиться поглинанням теплоти; у подібних випадках з підвищенням температури розчинність газу збільшується.

При розчиненні газу в рідині установлюється рівновага:

газ + рідина (зворотній процес)насичений розчин газу в рідині.

При цьому об'єм системи істотно зменшується. Отже, підвищення тиску має приводити до зміщення рівноваги вправо, тобто до збільшення розчинності газу.

До цього ж висновку можна прийти, виходячи з динамічного характеру рівноваги між газом і його розчином у рідині. Молекули газу, що знаходяться над рідиною в закритій посудині, бомбардують поверхню рідини і розчиняються в рідині з швидкістю, пропорційною концентрації газу. Молекули, що перейшли у розчин, в свою чергу час від часу ударяються об поверхню рідини зсередини і вилітають назовні. В міру того як внаслідок розчинення концентрація розчинених молекул збільшуватиметься, швидкість їх виділення, тобто число молекул, що виходять з розчину за одиницю часу, також зростатиме, поки, нарешті, не зрівняється з швидкістю розчинення. Внаслідок цього установиться рівновага, тобто рідина буде насичена газом.

Якщо тепер збільшити тиск газу, наприклад вдвоє, то у стільки ж раз збільшиться і концентрація його молекул над рідиною, а отже і швидкість розчинення газу. Рівновага порушиться. Щоб при новому тиску знову установилася рівновага, концентрація розчинених молекул, очевидно, також повинна збільшитися вдвоє.

Отже, приходимо до висновку, який відомий під назвою закону Г е н р і: маса газу, який розчиняється при сталій температурі в даному об'ємі рідини, прямо пропорційна парціальному тиску газу.

Закон Генрі можна подати рівнянням:

С = Rр,

Де С - вагова концентрація газу в насиченому розчині; р - парціальний тиск; R -коефіцієнт пропорційності, що називається константою Генрі (або коефіцієнтом Генрі).

Наприклад, у 100 мл води при 0оС і нормальному тиску розчиняється 2,9 мг азоту, а при збільшенні тиску вдвоє - 5,8 мг. Але оскільки пропорційно тиску збільшується і густина газу, то ці 5,8 мг займатимуть при подвоєному тиску такий самий об'єм, як 2,9 мг при нормальному тиску. Отже, об'єм газу, що розчиняється у певному об'ємі рідини, не залежить від тиску. Тому розчинність газів звичайно виражають не в .грамах, а в мілілітрах, зазначаючи об'єм газу, що розчиняється в 100 мл розчинника.

Розчинність деяких газів у воді при 0 і при 20оС подано в таблиці 2.

 

Розчинність газів у воді

 

 

Газ Розчинність газу в 100 мл води, мл
при 0°С при 20оС
Водень 2,15 1,8
Кисень 4,9 3,1
Азот 2,35 1,5
Діоксид вуглецю 87,8
Хлор
Метан 5,5 3,3

Якщо над рідиною міститься суміш деяких газів, то розчинність кожного з них визначається, його парціальним, тиском. Це слід враховувати, виконуючи розрахунки розчинності газів, що знаходяться в суміші з іншими газами.

Розчинність більшості речовин зменшується із зниженням, температури, тому при охолодженні гарячих насичених розчинів надлишок розчиненої речовини звичайно виділяється. Але якщо охолоджувати обережно і повільно, захистивши при цьому розчин від можливості потрапляння, у нього часточок розчиненої речовини, ззовні, то виділення її з розчину може і не статися. У цьому випадку матимемо розчин, що містить значно більше розчиненої речовини, ніж її потрібно для насичення при певній температурі. Це явище відкрив і докладно вивчив російський академік Т.Е.Ловіц (1794 p.), який назвав такі розчини, п е р е н а с и ч е н и м и. У спокійному стані вони можуть роками лишатися без зміни. Але якщо у розчин кинути кристалик тієї речовини, яка в ньому розчинена, то зразу навколо нього починають рости інші кристали і через короткий час весь надлишок розчиненої речовини викристалізовується. Іноді кристалізація починається від простого струсу розчину, а також від тертя скляно паличкою об стінки посудини, в якій міститься розчин.

4.

 

Осмотичним тиском називається тиск, що спостерігається в розчинах і викликуваний ударами часток розчиненої речовини (молекул, сольватів, гідратів, іонів), що знаходяться в безладному тепловому русі, о стінки судини.

Безпосередньо знайти та вимірити його не можна, так як о стінки судини одночасно ударяються не тільки частки розчиненої речовини, але й молекули розчинника. Для виміру осмотичного тиску необхідно відділити розчин від чистого розчинника за допомогою напівпроникної перегородки, здатної пропускати розчинник і затримувати частки розчиненої речовини. Властивістю напівпроникненості володіють пергамент, целофан і ряд інших матеріалів.

Прилади, що вимірюють осмотичний тиск, називаються осмометрами.

Основною частиною осмометра напівпроникна перегородка.

В осмометрі протікає процес дифузії. Дифузія – направлений процес. Він здійснюється через перегородку із судини з розчином з більшою концентрацією в чистий розчинник.

Переміщення розчину в бік розчинника, виникаюче при наявності напівпроникної перегородки, називається осмосом. Частки розчиненої речовини перейти в розчинник не можуть. Вони ударяються о перегородку і створюють осмотичний тиск. Його визначають, визначивши додатковий тиск, який потрібно прикласти до розчину, щоб запобігти переходу молекул розчинника в розчин. Він дорівнює добутку щільності розчину на різницю рівнів висоти в трубці і судині з розчинником.

Таким чином, в осмометрі діють дві протилежні сили – сила осмотичного тиску, що сприяє усмоктуванню розчинника усередину, і гідростатичний тиск стовбура рідини в осмометрі, що перешкоджає і припиняє всмоктування розчинника.

На підставі досвідчених даних установлено, що розведені розчини доволі добре підпорядковуються законам ідеального газу, і ці закони для них мають вигляд:

· Закон Бойля- Маріотта: осмотичний тиск розчинів при постійній температурі змінюється прямо пропорційно їх концентрації:

p11 = p22; p/С = const

· Закон Шарля: осмотичний тиск розчинів прямо пропорційний абсолютній температурі при постійній концентрації:

p11 = p22; p/Т = const

· Закон Авогадро: розчини різних речовин при однакових концентраціях і температурах володіють однаковим осмотичним тиском (ізотонічні розчини).

Крім того, універсальна газова постійна, обчислена за величиною осмотичного тиску при заданій температурі і концентраціях розчинів, має те ж числове значення, що і для газів.

Звідси рівняння Клапейрона-Менделєєва для розведених розчинів можна записати так:

p = СRT

где p - осмотичний тиск (Па), С – концентрація (кмоль/м3), R– універсальна газова постійна (Дж/кмоль*К).

Справедливість цього закону була доведена Вант Гоффом. Він є основним законом для розведених розчинів і формулюється наступним чином:

Осмотичний тиск розчиненої речовини в розведеному розчині дорівнює тому газовому тиску, який робила б ця речовина, якби у вигляді газу займала б той же об’єм, що і розчин (ЗАКОН ВАНТ ГОФФА).

Але цей закон справедливий тільки для розведених розчинів.

Відхилення від закону Вант Гоффа спостерігається у розчинів електролітів: кислот, лугів, солей. У них визначене дослідним шляхом p вище, ніж обчислене. Для приведення в дійсне співвідношення, вводять ізотонічний коефіцієнт i- він показує, у скільки разів дослідний осмотичний тиск вищий за обчислений за допомогою закону Вант Гоффа: i =pдос/pвир.

Для розчинів електролітів закон Вант Гоффа має вигляд:

p = iСRT

 

5.

 

Дослідним шляхом встановлено, що тиск пари розчинника над розчином нелетучих або малолетучих речовин завжди нижче тиску пари розчинника над розчином:

РАо А; РАо - РА = DР

де РАо – тиск пари над чистим розчинником при даній температурі, РА – тиск пари розчинника над розчином нелетучих речовин при тій самій температурі, DР – абсолютне зниження тиску пари розчинника над розчином.

Зниження тиску пари розчинника над розчином є результатом зменшення загальної концентрації молекул розчинника в поверхневому шарі розчину. Зменшенню тиску пари над розчином сприяє процес сольватації. Величина

DР РАо - РА

----------- = -------------------

РАо РАо

називається відносним зниженням тиску пари розчинника над розчином, або депресією пари.

Французький фізик Рауль встановив закон, що одержав назву Закон Рауля: відносне зниження тиску пари розчинника над розчином дорівнює мольній частці розчиненої речовини в розчині:

РАо - РА nb

------------------- = ----------------

РАо na + nb

де nb – число молей розчиненої речовини, na – число молей розчинника. Ці величини не залежать від природи розчинника і розчиненої речовини, а залежать від концентрації розчину.

Для сильно розведених розчинів закон має вигляд:

 

РАо - РА nb

------------------- = ----------------

РАо na

 

 

Якщо використовується розчин електроліту, вираження приймає вигляд:

РАо - РА i nb

------------------- = ----------------

РАо na

Розчини, що підкоряються закону Рауля, називаються ідеальними.

 







©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.