М.В. Медведева - Растворы, страница 3

49 граммов кислоты.пЕсли в 1 л раствора содержится 0,1 г-экв вещества, то онназывается децинормалъным, 0,01 г-экв - сантинормалъным, 0,001 гэкв - миллинормальным.2.6. Количество растворенного вещества в граммах,содержащееся в 1 мл раст вора, называется титром раствора (Т).гдеT=N-3/1000N - нормальность раствораЭ - грамм-эквивалент вещества(5)Например: Т 0,i NH2S0 4 = 0,1x49/1000 = 0,0049 г/мл.Хотя выражение концентрации в г/мл практически вышло изупотребления, широко используются термины «титрование»,«титрованный раствор», «кривые титрования» (см.

ниже).Важно уметь переходить от одного способа выраженияконцентрации к другому, например, от процентной концентрации кмолярной или нормальной и наоборот. При этом необходимо знатьисходную концентрацию раствора и его плотность. Только в сильноразбавленных растворах концентрации, выраженные в различныхединицах, пропорциональны друг другу. При приготовленииводного раствора с концентрацией менее 5% его плотность можносчитать равной ~1 г/см3.Нередко из двух уже имеющихся растворов разной концентрации нужноприготовить раствор промежуточной концентрации. Например, имеются 5%ный и 30%-ный растворы вещества А. Необходимо приготовить 100 мл 10%раствора этого вещества.

Конечно, можно разбавить в 3 раза водой 30% раствор.Но если экономичнее использовать оба раствора, то действовать можно двумяпутями:1) Для приготовления 100 г 10%-ного раствора (он содержит 0,1 1 0 0 гвещества А) надо взять х граммов 30%-ного раствора (он содержит 0,3-хг вещества А) и соответственно (100-х) г 5%-ного раствора (онсодержит0,05(100-х)г вещества А).Получаем уравнение:0,3х+0,05(100-х)=0,1-100, откуда х равен 20, т.е. для приготовления 100г 10%-ного вещества А надо взять 20 г 30%-ного и 80 г 5%-ногораствора (соотношение 1:4).2) Тот же результат можно получить намного быстрее, используя такназываемое «правило креста » или правило смешения.

Напишем в левыхуглах квадрата концентрации имеющихся растворов (вверху - болеевысокую концентрацию), а в центре квадрата - требуемуюконцентрацию. Соединим вписанные цифры «крестом» и в двух правыхуглах квадрата запишем результат вычитания (по диагоналям) меньшихконцентраций из больших:1230%/5ч10% ^X5%20 чЭти разности и представляют собой соотношение (массовое), в которомнадо смешивать имеющиеся растворы, т.е. 5:20=1:4.3.

Растворители. Вода как растворитель.Действиевещества как растворителя главным образомопределяется его способностью сольватировать растворенноевещество, т.е. образовывать с молекулами растворенного веществасвязи физической или химической природы.Чем вышесольватирующаяактивностьрастворителя,темлучшерастворимость. В химической практике в качестве растворителячасто используют спирты, эфиры, ацетон, уксусную и муравьинуюкислоты, бензол, пиридин.

Однако важнейшим растворителем,безусловно, является вода. Во-первых,60% всего живого инеживого нашей планеты состоит из воды, причем среднеесодержание воды в живых организмах достигает 80%. Во-вторых,вода не только непосредственно участвует во многих превращенияхвеществ в клетках, но и является той средой, в которой протекаетбольшинство биохимических процессов. В-третьих, благодаря своейструктуре (рис.

1) вода обладает уникальными физико-химическимисвойствами, которые не присущи другим растворителям.По общепринятым на сегодняшний день представленияммолекула воды имеет четыре полюса зарядов, расположенных ввершинах тетраэдра (рис. 1, в). Такое неравномерное распределениеэлектронной плотности обеспечивает молекуле воды ярковыраженные полярные свойства (рис. 1, а), дипольный моментсоставляет 1,86 Д. Вследствие этого между молекулами воды легкообразуются водородные связи, которыеимеют донорноакцепторную природу (рис. 1, г). В случае воды доноромнеподеленной пары электронов является атом кислорода, аакцептором - подвижный атом водорода. Энергия каждой такойводородной связи ~5 ккал/моль.

В жидкой воде за счет водородныхсвязей образуются ассоциаты молекул, формирующие крупныеупорядоченные структуры (рис. 1, г) и существующие вдинамическом равновесии с более мелкими структурами ииндивидуальными молекулами. Это равновесие зависит оттемпературы.13«> О• ? < Л.( 5Ь—+1,515 А(а)(в)в-№*»-8*О — Н___ О— Н4Н"**Н11Hv.iJOrrf'° Ч11,Н^0чН"CL.Гг>12О ''(ОИ^ **»V• ^ 0 *,t*■♦н -'• О ..: "-н.;(*) О '**n<3> <Х(г)Рис. 1. Общепринятые структурные модели молекулы воды,а)диполь[http://www.biochern.arizona.edu/.. ./Water/water_txt.htm;http://aqua-correct.dk/dklskw/uk-water.html];б)плоскаяструктура[http://www.drwater.ru/img/art/4625/91048.png;http://www.mirit.ru/rd_2007en.htm]; в) тетраэдрическая структура[http://polymer.bu.edu/Wasser/robert/work/img3.gif;http://fig.cox.miami.edu/~cmallerv/150/chemistrv/sf2x7.jpg1: г) образование кристаллической структуры: (1)образование водородных связей [http://schoolchemistry.by.ru/material/p5.htm#3]; (2), (3) образование ассоциатов молекул воды rhttp://user.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/H/Hbondswater.gif);(4)кристаллическая структура [http://www.lbl.gov/..

,/2005/February/watersolid.html].14Структурированность воды обуславливает ее уникальныесвойства: 1) аномально высокую температуру кипения (100°С); 2)высокую теплоемкость; 3) высокую вязкость; 4) высокую теплотуиспарения (541 кал/г); 5) высокую диэлектрическую проницаемость(диэлектрическая постоянная е для жидкой воды -8 0 ; эта величинапоказывает во сколько раз сила притяжения между ионами(электрическими зарядами) в воде меньше, чем в вакууме (в=1)), чтоделает ее универсальным растворителем для большинства ионных иполярных соединений; 6) высокую ионизирующую активность,которая зависит не только от диэлектрической проницаемостирастворителя, но и от его сольватирующей способности.

При этомсольватами называются соединения, образованные в результатехимическоговзаимодействиярастворенноговеществасрастворителем. Если в качестве растворителя выступает вода, тотакие соединения называются гидратами.Ионные или полярные молекулы растворенного веществапритягивают и удерживают вокруг себя определенное числомолекул воды. В большинстве случаев такие соединения непрочны илегко разлагаются при выделении их в свободном виде. Но в рядеслучаев образуются прочные соединения, которые можно выделитьиз раствора путем кристаллизации; при этом выпадают кристаллы,содержащие молекулы воды.

Такие кристаллические веществаназываются кристаллогидратами, а вода, входящая в их состав кристаллизационной. Примерами кристаллогидратов могут быть:C u S 0 4-5H20 ,Na2S 0 4 10H20 ,СаС12-6Н20 ,F eS 0 4-7H20 .Кристаллогидратами являются также и многие природныеминералы.Таким образом, вода является хорошим гидратирующимагентом, а многие вещества в воде становятся электролитами.4.Основныеположениятеорииэлектролитическойдиссоциации.Электролитаминазываютвещества,которыеврастворенном или расплавленном состоянии существуют в видеионов и проводят электрический ток. К ним относятся многиекислоты, соли и основания, к неэлектролитам - большинствоорганических соединений (см. ниже табл.

2).В растворе электролиты распадаются на ионы, причем чембольшеионов в растворе, тем лучше он будет проводитьэлектрический ток. Сама вода очень плохо проводит электрическийток, поскольку лишь незначительное количество ее молекулраспадается на ионы (см. ниже).15Полный или частичный «распад» соединений на ионы прирастворении их в полярном растворителе (чаще всего в воде) илирасплавлении называется электролитической диссоциацией.Дляобъясненияповеденияэлектролитовшведскийфизикохимик С. Аррениус предложил теорию электролитическойдиссоциации, за создание которой в 1903 г. был удостоенНобелевской премии.

Сущность теории сводится к следующему:1) Электролиты при растворении в воде распадаются(диссоциируют) на положительные и отрицательные ионы.2) Под действием электрического тока ионы движутся:положительно заряженные катионы - к катоду,отрицательно заряженные - анионы - к аноду.3) Процесс диссоциации обратим.Уравнение диссоциации молекулы электролита КА на катионы(К+) и анионы (А ) выглядит следующим образом:КАК++ А'(6 )Теорию электролитической диссоциации трудно объяснить безхимической теории растворов, поскольку электролитическаядиссоциацияобусловленавзаимодействиемрастворенноговещества с растворителем - сольватацией. Легче всегодиссоциируют вещества с ионной связью. При растворении такихвеществ диполи воды ориентируются вокруг положительных иотрицательных ионов, окружая последние (рис.

2).Рис. 2. Схема диссоциации полярной молекулы на ионы в воде[http://nekton.lesnoy.ru/himia.html;http://volcano4all.nm.ru/images/mg ris2 t.g ifl.16По своей величине электрические заряды в дипольной молекулеводы значительно меньше заряда иона электролита, но каждый ионвзаимодействует со многими молекулами растворителя. Система, вкоторой ионы окружены (гидратированы) молекулами воды,энергетически выгоднее системы с «голыми» ионами; т.е.«гидратная шуба» способствует диссоциации молекул электролита ипрепятствует обратному объединению (ассоциации) ионов внейтральные молекулы. Гидратированные ионы могут иметьпостоянный и/или переменный набор молекул воды.Степеньдиссоциации.Посколькуэлектролитическаядиссоциация - процесс обратимый, в растворах электролитов нарядус их ионами присутствуют и недиссоциированные молекулы,следовательно, растворы электролитов характеризуются степеньюдиссоциации а , которая представляет собой отношение числараспавшихся на ионы молекул п к общему исходному числурастворенных молекул N:а = n/N(7)Степень диссоциации электролита определяется опытнымпутем и выражается в долях единицы или в процентах.

Если а= 0, тодиссоциация отсутствует, если а=1 (или 100%), то электролитполностью распадается на ионы. Если же сс=0,7 (70%), то этоозначает, что из 100 молекул данного электролита на ионыраспалось 70.На степень электролитической диссоциации оказывают влияниеследующие факторы:1) Природа растворителя. Как следует из закона Кулонаf = e r e2/e-r2(8)сила электростатического притяжения ( Г) двух разноименнозаряженных частиц зависит не только от величины их зарядов (е| ие2) и расстояния между ними (г), но и от природы среды, в которойвзаимодействуютзаряженныечастицы,т.е.отвеличиныдиэлектрической проницаемости среды е.

У воды е=~80, тогда как убензола е=2,3. Поэтому хлористый водород хорошо диссоциирует вводе и практически не диссоциирует в бензоле.2)Природарастворенноговещества. Постепенидиссоциации в водных растворах все вещества можно разделить наэлектролиты и неэлектролиты. Растворение в воде неэлектролитовне приводит к появлению в растворе ионов (например, спирт). Они17не проводят электрический ток, но меняют свойства растворителя(воды), - в частности, структурированность, смещая равновесиемежду крупными упорядоченными, более мелкими структурами иотдельными молекулами воды.В свою очередь электролиты делят на сильные и слабые.Сильные электролиты при растворении в воде практическиполностью диссоциируют на ионы (а=0,3-1).

Электролитысредней силы диссоциируют от 30 до 3%, тогда как слабыеэлектролиты диссоциируют на ионы лишь незначительно (а « 1 ).Например, соляная кислота во много раз лучше диссоциирует, чемуксусная, а сахар, хорошо растворяясь в воде, вовсе не диссоциируетна ионы (а = 0 ).Для электролитов с многовалентными ионами характернапостепенная диссоциация. Например, диссоциация многоосновнойфосфорной кислоты протекает в 3 стадии:(1) Н 3РО 4 <-> Н+ + Н 2Р 0 4"Из-за отрицательного заряда иона Н 2РО 4" второму протонуотщепиться гораздо труднее, поэтому следующая стадия ионизации(2) IbPCVН+ + НРО 42'протекает в значительно меньшей степени. Последнему протонуприходитьсяотрыватьсяужеотдваждызаряженногоотрицательного иона, поэтому вероятность протекания третьейстадии диссоциации фосфорной кислоты в растворе много меньшепротекания диссоциации по двум первым стадиям.(3 )Н Р 0 42' ^ Н ++ Р 0 43'Двухосновная серная кислота H 2S 0 4 полностью диссоциируетлишь при отщеплении одного протона, а дальнейшая диссоциацияH S 0 4" затруднена.