les14 (Лекции по Химии 1 курс 1 семестр Ланская И.И. (2017))

Лекция 14РастворыПлан лекции1. Определение, классификация. Твердые, жидкие и газообразныерастворы.2. Основные характеристики растворов. Концентрация и растворимость.3. Термодинамика процесса растворения.4. Общие (коллигативные) свойства растворов.Закон Рауля и его следствия.Закон Вант Гоффа. Осмос. Обратный осмос.5.

Примеры решения задач.6. Активность. Реальные растворы.7. Выводы.ОпределениеРастворы – гомогенныепеременного состава.(однородные)многокомпонентныесистемыКлассификацияВ зависимости от агрегатного состояния различают:твердые, жидкие и газообразные растворы.Твердые:замещения, внедренияAu-CuH2-PdГазообразные (газовые смеси)Воздух: О2, N2, СО2, Н2О (пары)РастворыЖидкиеЖ–ТН2О – NaClС2Н5ОН сахарЖ–ЖН2О-С2Н5ОНН2О- Н2SО4Ж–ГН2О-СО2Н2О-НClКомпоненты растворовУсловно подразделяют на растворитель и растворенное вещество.Растворитель - обычно компонент раствора, который не меняет своегофазового состояния при образовании раствора и концентрация которого выше,чем у других компонентов.ЖИДКИЕ РАСТВОРЫВ зависимости от природы растворителяВодные растворыРастворитель Н2ОНеводные растворыВсе другие растворители:пропиленкарбонат, ацетонитрил,диметилсульфоксид, NH3, CCl4 и др.По способности проводить электрический ток различают:Растворы электролитовпроводят электрический токРастворы неэлектролитовне проводят электрический токКонцентрация и растворимостьКонцентрация и растворимость - основные характеристики растворов.Состав растворов можно в некоторых пределах менять без скачкообразногоизменения их свойств.Концентрация – содержание компонента раствора в единице объема или массыраствора или растворителя.Способы выражения концентрации растворов.1.Молярная концентрация, св-ва:количество растворенного вещества в единице объема этогораствора.сВ вваmвва33V р ра М вва V р ра [моль/л, моль/дм , моль/м ]2.Молярнаяконцентрацияэквивалента(нормальнаяконцентрация) сэк :количество эквивалента растворенного вещества в единице объемаэтого раствора.сэк экв ..вваV р расВfЭ[моль/л, моль/дм3, моль/м3]Пример: с(Н2SО4) = 2 моль/лЭ(Н2SО4) = 1/2 Н2SО4 fН2SО4 = ½ сэк =2= 4 моль/л1/ 23.

Титр Т: масса растворенного вещества (в граммах) в 1 мл раствора.Tmвва сВ  M вваV р ра1000[г/мл, г/см3]4. Массовая доля вещества, :отношение массы растворенного вещества к общей массе раствора. M вваmв ваТ сВ(доли или ωВ100%), гдеm р ра  р ра 1000  р ра - плотность раствора [г /мл, г/см3]вва 5. Моляльность, cm:количество растворенного вещества в 1 кг, или 1000 г растворителясm  вваm раствортеля вва1000г раствориля моль/кг, моль/1000г растворителя]6. Молярная доля вещества, xВ:отношение числа молей одного из компонентов раствора(данного вещества) к сумме молей всех компонентов раствора.xB nini ni n1  n2  ...niМолярная доля может быть выражена в долях единицы (хВ), в процентах (%) сотая доля, промилле (‰) - тысячная часть и в миллионных долях (млн1) илиррm.Термодинамика процесса растворенияРастворение - самопроизвольный, обратимый процесс Gрастворения < 0растворениеА(к)А(р-р)кристаллизацияНасыщенный раствор – раствор, в котором в данных условиях дальнейшеесамопроизвольное растворение невозможно, т.к.

устанавливается равновесиемежду растворением и образованием твердой фазы:энергия Гиббса Gраств = 0,скорости растворения = кристаллизации.Ненасыщенный раствор - самопроизвольное растворение вещества ещевозможно:Gраств < 0, раств  выделения.Растворимость вещества (ср) в данных условиях равна концентрациинасыщенного раствора в данных условиях.Растворимость зависит от: природы вещества ирастворителя – «подобное растворяется вподобном»: полярные вещества - в полярных, углеводороды - вуглеводородах; давления газа над раствором (если растворяемое вещество газ) –закон Генри срi= kPi, температуры: с ростом температуры растворимость увеличиваетсяа) большинства (не всех) твердых и жидких веществ(если ΔHраств> 0)б) газообразных веществ(если ΔHраств< 0)Исторический аспект:физическая теория растворов - механическое диспергирование за счет силдиффузии (Нернст, Оствальд);химическая теория растворов - гидратная (сольватная) теория(Д.И.Менделеев).Современная теория: растворение - физико-химический процесс.Каблуков – русский ученый внес большой вклад в физико-химическую теориюрастворов.Основные стадии процесса растворенияПри растворении происходит взаимодействие растворенного вещества ирастворителя.Основные стадии:1) разрушение химических и межмолекулярных связей:Н1 > 0; Sион > 02)сольватация (гидратация) – химическое взаимодействие растворителя срастворяющимся веществом с образованием- сольватов (гидратов):++Na (г) + aq = Na aq (р-р) ; Cl (г) + aq = Cl aq (р-р)Н2 < 0Нсольв < 0; Sсольв  03) самопроизвольное перемешивание (диффузия) сольватов по всему объемураствора:Н3 = Ндифф > 0 , Sдифф > 0 – (всегда |Н3| << |Н2|)Нраств = Н1 + Н2 + Н3;Sраств = S1 + S2 + S3.Если |Н2|<|Н1|, то Нр < 0 и с ростом Т растворимость уменьшается,например, NaOH.Для газов и жидкостей Н1- очень мала  Нр < 0.С ростом температуры растворимость газов уменьшается.ОБЩИЕ СВОЙСТВА РАСТВОРОВОбщие - свойства растворов, которые зависят от концентрации (числачастиц) и практически не зависят от природы растворенных веществ. понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором понижение температуры замерзания и повышение температурыкипения осмотическое давлениеОбщие свойства могут проявляться в полной мере в идеальных растворах.Идеальный раствор - гипотетический раствор, в котором нет химическоговзаимодействия между компонентами, а силы межмолекулярноговзаимодействия одинаковы. Нр = 0 и каждый компонент ведет себя в растворе независимо от другихкомпонентов.

( Реально ≈ очень разбавленные растворы)Закон Рауля.Молекулы нелетучего растворенного компонента раствора препятствуютиспарению из раствора молекул растворителя.испарениеА(ж р-тель)А(пары р-теля)Понижение давления насыщенного пара растворителя А над раствором рАпропорционально молярной доле растворенного нелетучего вещества хВ:рА - рА = рА = рА хВ,(1)рА, рА - давления насыщенного пара растворителя соответственно над чистымрастворителем и над раствором.Следствия из закона Рауля:1.

температура кипениярастворителя.растворавышетемпературыкипенияПовышение температуры кипения Ткип пропорционально моляльностираствора сmТкип = Кэсm(2)Кэ - эбуллиоскопическая постоянная растворителя.2. температура замерзания (кристаллизации) раствора ниже температурзамерзания (кристаллизации) чистого растворителя.Понижение температуры замерзания (кристаллизации) Тзам пропорциональномоляльности раствора сmТзам = Кксm,Кк - криоскопическая постоянная.Значения Кэ и Кк зависят от природы растворителя.(3)Рис.1 Зависимость давления насыщенного пара растворителя от температурынад чистым растворителем (водой)(1) и над раствором нелетучегокомпонента(2)Эбуллиоскопические и криоскопические постоянные некоторыхрастворителейПостоянныерастворителейкг*К*моль -1КЭККВода0,521,85Растворительэтанолбензол1,221,992,535,12тетрахлоридуглерода5,0229,8По уравнениям (2) и (3), можно определить молярную массу вещества.Экспериментально определяют повышение температуры кипения Ткип илизамерзания Тзам раствора.Если известна масса растворенного вещества mB и растворителя mР, томолярная масса растворенного вещества МВ :MВ 10 3 K mВ,T mРК  КЭ либо КК.[г/моль](4)Осмотическое давлениеОсмос - самопроизвольный переход растворителя через полупроницаемуюмембрану, разделяющую раствор и растворитель или два раствора с различнойконцентрацией.Мембрана пропускает только молекулы растворителя.Молекулы растворителя диффундируют из растворителя в раствор или из менееконцентрированного раствора в более концентрированный, поэтомуконцентрированный раствор разбавляется, при этом увеличивается и высота егостолба (рисунок).Осмотическое давление  равно силе на единицу площади поверхности,заставляющей молекулы растворителя проникать через полупроницаемуюперегородку.

При достижении равновесия оно равно давлению столба растворав осмометре высотой h (рисунок).Рис. 2. Схема осмометра: 1 - вода; 2 -полупроницаемая мембрана;3 - растворЕсли внешнее давление, приложенное к более концентрированному раствору,выше осмотического, Р > , то скорость перехода молекул растворителя изконцентрированного раствора будет больше, и растворитель будет переходить вразбавленный раствор (или чистый растворитель) - обратный осмос.Используется для очистки природных и сточных вод, для получения питьевойводы из морской воды.Уравнение Вант ГоффаВант-Гофф показал, чтодля осмотического давления можноидеального газаV = nRT или  применить уравнение состоянияnRT ,Vоткуда = сRT,(6)где  - осмотическое давление, кПа; с - молярная концентрация раствора.Осмотическое давление возрастает с увеличением концентрации растворенноговещества и температуры.В биологических процессах осмос обеспечивает поступление воды в клетки.Изотонические растворы - растворы с одинаковым осмотическим давлением.Гипертонические растворы - если наружное давление выше внутриклеточного.Гипотонические растворы - внешнее осмотическое давление нижевнутриклеточного.Например, среднее осмотическое давление крови при 36С равно 780 кПа.Гипертонические растворы сахара (сироп) и соли (рассол) применяются дляконсервирования продуктов, так как вызывают удаление воды измикроорганизмов.Примеры расчетов1.

Рассчитать молярную долю, моляльность и молярную концентрациюметилового спирта СН3ОН в 60%(масс.) водном растворе при 20оС, еслиплотность раствора ρ=0,89 г/см3.Решение.1. По определению молярной доли N вещества:NCH3OH = nCH3OH/(nCH3OH + nH2O) == (mCH3OH/MCH3OH)/ (mCH3OH/MCH3OH + mH2O/MH2O) == (60/32)/ (60/32 + 40/18) = 0,4582.