Растворы. Современные представления о физико-химических процессах образования растворов
Растворы. Современные представления о физико-химических процессах образования растворов. Энергетика процесса растворения. Ненасыщенный, насыщенный и пересыщенный растворы. Растворимость твердых веществ, зависимость растворимости от температуры, давления. Закон Генри-Дальтона. Способы выражения концентрации растворов.
В развитии физической химии исключительно важную роль сыграло изучение природы растворов, которые имеют огромное значение в жизни человека, животных и растений. Многие процессы, протекающие в земной коре и на ее поверхности, связаны с растворами, ни одно промышленное производство не обходится без их участия. Ученые многих поколений интересовались растворами. Еще Менделеев писал о взаимодействии растворителя и растворенного вещества. Растворами называются гомогенные (однородные) системы, состоящие из растворенных веществ, растворителей и продуктов их взаимодействия. Растворы могут представлять собой системы, находящиеся в газообразном, жидком или твердом состоянии (сплавы).
Растворами называют однородные смеси нескольких компонентов. Содержание каждого компонента может непрерывно изменяться. Особенно часто в практике встречаются жидкие растворы (водные).
Растворенные вещества могут быть твердыми, жидкими и газообразными. Свойства растворов определяются характером взаимодействия компонентов. Это взаимодействие зависит не только от вида сил, действующих между частицами, но и от формы и размеров частиц.
Общий признак растворов – стремление к смешению.
Различают растворы истинные и коллоидные. В истинных растворах вещества находятся в виде ионов или молекул, а в коллоидных в виде групп молекул (агрегатов определенных размеров).
Важной характеристикой растворов является концентрация, показывающая в каком соотношении (весовом или объемном) взяты растворитель и растворенное вещество.
Однородность растворов делает их очень сходными с химическими соединениями. Отличие их в том, что состав растворов может изменяться. Непостоянство растворов приближает их к механическим смесям, но от них они резко отличаются своей однородностью. Вывод. Растворы занимают промежуточное положение между механическими смесями и химическими соединениями.
В настоящем растворе протекают одновременно два процесса: растворение и кристаллизация. Под влиянием растворителя от поверхности твердого вещества постоянно отрываются отдельные молекулы или ионы (растворимость твердых веществ) и равномерно распределяются по всему объему раствора. По мере увеличения концентрации раствора скорость растворения уменьшается, т.к. при этом протекает обратный процесс – процесс кристаллизации (молекулы, ионы сталкиваются с кристаллами и кристаллизуются). Через некоторое время наступает процесс его насыщения.
Рекомендуемые материалы
В насыщенном растворе одновременно протекают два процесса: растворение и кристаллизация. При постоянной температуре скорость растворения и скорость кристаллизации равны, а поэтому концентрация насыщенного раствора при постоянной температуре постоянна. Следовательно, насыщенным называется раствор, который находится в динамическом равновесии с избытком растворенного вещества. Если концентрация какого-либо раствора будет меньше концентрации насыщенного раствора при данной температуре, то он называется
ненасыщенным. Возможно дополнительное растворение до предела насыщения.
Раствор, концентрация которого больше концентрации насыщенного при данных условиях, называют пересыщенным. Такие растворы получаются при осторожном охлаждении ненасыщенных растворов, концентрация которых близка к концентрации насыщенных. Растворимость понижается и содержание вещества окажется большим, чем в его насыщенном при такой же температуре, т.е. происходит пересыщение. Эти растворы очень неустойчивы. Встряхивание, попадание пыли и сразу же начинается кристаллизация.
Растворимость твердых веществ всегда ограниченна. Абсолютно нерастворимых веществ в природе нет, хотя есть практически нерастворимые ВаSО4, Са СО3, Си(ОН)2, и др. Малорастворимые Са(ОН)2, Рв Сl2. самопроизвольное растворение идет медленно, его увеличивают измельчением в порошок, перемешиванием, повышением температуры.
Влияние температуры разное у разных веществ. Зависимость растворимости твердых тел от температуры выражают в виде кривых (таблицы растворимости). Некоторые вещества при повышении температуры резко повышают растворимость, у других она падает. Растворимость газов падает.
Понятие «растворимость» имеет качественный смысл. В качественном смысле растворимостью вещества называется его способность образовывать однородную систему с другим веществом, выполняющим функцию растворителя. Эта способность определяется характером взаимодействия между молекулами растворитель – растворитель, растворенное вещество – растворенное вещество, растворитель – растворенное вещество. Наибольшая взаимная растворимость достигается тогда, когда все эти силы имеют подобный характер. Неполярные или малополярные соединения хорошо растворимы в неполярных или малополярных растворителях и менее растворимы в высокополярных растворителях.. Так оксид углерода СО – малополярное соединение (дипольный момент 0,4×10-30Кл×м) – хорошо растворим в бензоле, молекулы которого неполярны (=0), и ограниченно растворим в воде – соединении с сильно выраженным дипольным характером (дипольный момент 6,11×10-30Кл×м). Вода является хорошим растворителем полярных соединений, например аммиака или этилового спирта, не только потому, что их молекулы обладают значительной полярностью (соответственно 4,94×10-30Кл×м и 5,66×10-30Кл×м), но и потому, что при этом сохраняется характер связей, существовавших в исходных компонентах. Вместо водородных связей между молекулами каждого компонента – воды, аммиака и спирта возникают подобные вязи между растворителем и растворенным веществом. Схема гидратации хлороводорода стр 422.
Растворимость газов в жидкостях определяется не только природой компонентов, но и изменяется в широких пределах в зависимости от давления и температуры. С увеличением давления растворимость газов в жидкостях увеличивается. Эта закономерность выражается законом Генри: рi = Кi Хi где
Хi – молярная доля i –го газа в растворе; рi – парциальное давление газа над раствором; Кi – постоянная Генри для i –го компонента.
Закон Генри не выполняется, если растворение газа в жидкости сопровождается образованием новых химических веществ. Например, растворение в воде аммиака приводит к образованию гидроксида аммония, а растворение углекислого газа - к образованию угольной кислоты.
Влияние температуры на растворимость количественно выражается уравнением:
(∂lnХi /∂Т)р = ∆sН*интi/RТ2 где ∆sН*интi – энтальпия перехода 1 моль i –го компонента из чистого состояния в состояние насыщенного раствора. Если ∆sН*интi > 0, то растворимость увеличивается с ростом температуры, если ∆sН*интi <0 – уменьшается. Растворение газов в жидкостях в основном экзотермический процесс, поэтому растворимость большинства газов уменьшается с ростом температуры. Например, при Т=0оС в 100 г воды растворяется 5,56 мл СН4, а при Т=100оС – 1,7 мл
Термодинамическим условием самопроизвольного образования раствора является уменьшение энергии Гиббса системы ∆sG<0, определяемой по уравнению:
∆sG = ∆sН -Т∆s S, где ∆sН – энтальпия (теплота) растворения; ∆s S энтропия растворения.
"Техника приема посетителей" - тут тоже много полезного для Вас.
Образование растворов протекает как с поглощением (∆sН>0), так и с выделением (∆sН <0) теплоты, поскольку сопровождается эндотермическими процессами разрушения исходных связей растворителя и растворенного вещества и экзотермическим процессом образования новых связей (сольватацией).
Состав раствора может быть задан несколькими способами:
Концентрацией растворенного вещества называют отношение количества растворенного вещества или его массы к объему раствора (моль⁄л, г⁄л). Концентрация – это отношение неоднотипных величин. Те величины, которые являются отношением однотипных величин, например отношение массы растворенного вещества к массе раствора, и формально не имеют своей единицы, называются долями. Таким образом, состав раствора может быть задан как концентрацией, так и долей растворенного вещества.
Массовая доля растворенного вещества w –это отношение массы растворенного вещества к массе раствора.
Объемная доля растворенного вещества v – это отношение объема растворенного вещества к объему раствора.
Мольрность раствора – величина, численно равна отношению молярной массы растворенного вещества к объему раствора (моль⁄л).
