2019 лекции 20-22 (1247452)
Текст из файла
Часть V. Растворы, гетерогенные системы, поверхности.Глава 20. Растворы. Идеальные растворы (2). Растворы газов в жидкостях, закон Генри(3). Давление паров над раствором, закон Рауля (4). Осмос и осмотическое давление (5).Значение осмоса для живых организмов (7). Кипение растворов (8). Замерзание растворов(9).
Коллигативность и взаимосвязь свойств растворов (10). Химический потенциалраствора (12). Термодинамика кипения и замерзания растворов (13).Глава 21. Гетерогенные системы, самоорганизация биомолекул. Взвеси и коллоидныерастворы (16). Адсорбция (17). Межмолекулярные взаимодействия в конденсированнойфазе (19). Гидрофобный эффект и самоорганизация амфифильных молекул в водномокружении (20).Глава 22.
Поверхностные явления. Поверхностное натяжение (22). Краевой угол (23).Капиллярные силы (24). Формула Лапласа (26). Давление пара над искривленнойповерхностью, капиллярная конденсация (28).1Глава 20. Растворы20.1. Идеальные растворыРастворами называют однородные смеси двух или нескольких веществ, в которыхсмешивание осуществляется на молекулярном уровне. В этом отношении растворыотличаются от механических смесей, в которых перемешаны не молекулы, амакроскопические частицы вещества. Но растворы не являются и просто физическимисмесями молекул. По некоторым признакам растворы приближаются к химическимсоединениям.
Так, при смешении спирта с водой наблюдается уменьшение объема.Растворение обычно сопровождается выделением или поглощением теплоты. Присмешении, к примеру, поваренной соли NaCl со снегом образующийся раствор сильноохлаждается. От химических соединений растворы отличаются однако тем, чтоотносительные количества веществ в растворах могут меняться в более или менеешироких пределах (в химические соединения вещества входят в строго определенныхпропорциях).Если одного вещества в растворе больше, чем других, то оно называетсярастворителем, а прочие вещества – растворенными веществами.
Растворы называютсяслабыми или разбавленными, когда доля молекул растворенных веществ мала.Концентрации растворенных веществ в растворе могут измеряться разными способами. Вгазе концентрации определялись как число молекул в единице объема. Для растворовтакже иногда используется такое определение; для i-го компонента в растворе тогдаконцентрация есть величина, равнаяNni i .VЧаще однако концентрации в растворах измеряются в мольных долях:xi vi,(20.1)iiгде vi - число молей i-го компонента в растворе, либо в выраженном в процентахотношении массы растворенного вещества mi к общей массе раствора:i mi100% mi(20.2)iТакже концентрации могут определяться как число молей i-го компонента в 1 литрераствора (молярная концентрация):vci i ,V2где в данном случае V есть объем раствора в литрах.
Причем индексом 1 принятообозначать величины, относящиеся к растворителю, а индексами 2, 3 и т.д. – величины,относящиеся к растворенным веществам.Раствор называется идеальным, если взаимодействия между молекулами растворителяи растворенного вещества, между молекулами растворенного вещества и междумолекулами растворителя близки или одинаковы. Это условие выполняется обычнотолько приближенно, однако оно служит хорошей основой для количественногорассмотрения многих свойств растворов.
Образование идеального раствора несопровождается химическим взаимодействием, изменением объёма и тепловым эффектом.Для идеального раствора жидкостей друг в друге его объем равен сумме объемов егокомпонентов,V Vi ,(20.3)iа его внутренняя энергия есть простая сумма энергий отдельных компонентов:U U ii(20.4)Некоторые реальные растворы действительно обладают такими свойствами, например,метиловый спирт в этиловом спирте, бензол в толуоле. По некоторым признакамидеальными растворами могут считаться и любые слабые растворы.Рис. 20.1.20.2.
Растворы газов в жидкостях, закон ГенриПусть имеется раствор газа в жидкости. В равновесии имеет место баланс междумолекулами газа, переходящими в раствор, и молекулами, возвращающимися обратно вгазовую фазу (рис. 20.1, молекулы газа обозначены серым цветом). Число молекул,переходящих в раствор, пропорционально числу ударов молекул о поверхность, т. е.давлению газа. Для слабых растворов верно также то, что число возвращающихся вгазовую фазу молекул пропорционально концентрации растворенного газа. (Дляконцентрированных растворов это утверждение может быть неверным из-завзаимодействия между молекулами самого газа в растворителе). Если над поверхностьюжидкости находится смесь разных газов, то все сказанное верно для каждого газа поотдельности, если иметь в виду парциальное давление каждого газа. Это очевидное изобщих соображений утверждение составляет содержание так называемого закона Генри:3«при неизменной температуре растворимость газа пропорциональна его парциальномудавлению над раствором»:ci = ki pi,(20.5)где pi – парциальное давление газа над раствором, ki – константа пропорциональности(константа Генри).
Константа Генри зависит от природы газа и растворителя, а также оттемпературы.20.3. Давление паров над раствором, закон РауляРаствор, помещенный в замкнутый сосуд, будет находиться в равновесии с парами всехего компонентов. Пар в условиях равновесия, как мы знаем, называется насыщенным. Вотличие от предыдущего случая компоненты раствора могут быть не обязательно газами –могут быть и жидкостями и нелетучими твердыми телами (нелетучесть означает, чтоналичием пара можно пренебречь).
Как говорилось выше, идеальным считается такойраствор, в котором взаимодействия между молекулами растворителя и растворенноговещества, между молекулами растворенного вещества между собой и между молекуламирастворителя между собой близки или одинаковы. Тогда можно ожидать, что испаряться споверхности жидкости все компоненты раствора будут одинаково.
Если в растворенаходятся несколько растворенных компонентов с мольной долей xi каждого, длядавления насыщенного пара i-го компонента рi (парциальное давление пара) тогда должнобыть справедливо соотношениеpi xi pi0 ,(20.6)где pi0 - давление пара над чистым i-м компонентом. (Для случая нелетучего веществаpi pi0 0 .)Этосоотношение(20.6)называетсязакономРауля.Онхорошоподтверждается на эксперименте для случая близких по строению молекул (таких какбензол и толуол, например, – см. рис.
20.2). Для других растворов соотношение (20.6)является лишь некоторым приближением.На самом деле данное выше условие идеальности раствора является нескольконеопределенным, так как неясно, как рассматривать взаимодействия между молекулами,обладающими разной геометрической формой и разным распределением зарядов в каждойиз молекул. Можно заменить это условие более конкретным утверждением: будемназывать раствор идеальным, если испарение компонентов и их обратное поглощениеповерхностью раствора происходят одинаково и независимо друг от друга.Математическим выражением этого утверждения и является закон Рауля (20.6), которыйтаким образом сам по себе является определением идеальности раствора.Для суммарного давления насыщенных паров имеем:p xi pi0 .i4Отметим, что давление паров растворителя над раствором согласно соотношению (20.6)уменьшается по сравнению со случаем чистого растворителя.суммарноp/Torr6040Рис.
20.2. Давление насыщенногопара над поверхностью смесибензол-толуол при нормальныхусловиях..бензол20толуол00,00,20,40,60,81,0x2В частности, если раствор состоит из двух компонентов – растворителя инелетучего растворенного вещества (например, раствор сахара в воде), тогда из (20.6)следует, что давление насыщенного пара растворителя понижается при повышенииконцентрации растворенного вещества х2:p1 (1 x2 ) p10Это соотношение имеет наглядную графическую иллюстрацию. На рис.
20.3 видно,что нелетучие молекулы занимают часть поверхности раствора и препятствуют такимобразом испаряться молекулам растворителя.Рис. 20.3.Примечательно, что в законе Рауля (20.6) никак не проявляется спецификахимических или физических свойств молекул компонент растворов, все сводится только ких мольным долям. Такая особенность является одним из проявлений так называемойколлигативности свойств растворов. О других примерах проявления таких свойств пойдетречь ниже.20.4. Осмос и осмотическое давлениеСуществуют полупроницаемые пористые перегородки, которые в растворахпроницаемы для молекул одного вещества и непроницаемы для другого. В живой природеполупроницаемыми являются мембраны и оболочки клеток.
Полупроницаемые5перегородки также могут быть изготовлены искусственно из полимерных и другихматериалов, они используются как таковые в ряде отраслей промышленности. Наличиеполупроницаемых перегородок приводит к явлению в растворах, называемому осмосом.Для наблюдения осмоса в лабораторных условиях возможны два типа опытов, которыепоказаны на рис.
20.4. На рис. 20.4а чистый растворитель и раствор разделены на дваотсека с полупроницаемой перегородкой и каждый отсек находится под действиемподвижного поршня, создающего давление. Оказывается, что для поддержанияравновесия в системе давление на раствор должно быть на некоторую величину π большедавления на чистый растворитель.
Для опыта, показанного на рис. 20.4б (здесьрастворитель и раствор также разделены полупроницаемой перегородкой), внешнеедавление одинаково, но при этом происходит повышение уровня раствора на величинуh = π/ρр-рg,(20.7)где ρр-р – плотность раствора, π – давление; причем это давление такое же, что и в опытена рис. 20.4а. Это давление называется осмотическим давлением.абРис.
20.4.Рис. 20.5.p0p0 + πМолекулярная картина явления поясняется схематически на рис. 20.5. Здесь показансосуд, в котором растворитель и раствор отделены один от другого полупроницаемойперегородкой, через которую могут проходить молекулы растворителя (изображеныпустыми кружками), но не могут проходить молекулы растворенного вещества (болеекрупные серые кружки). Условием равновесия здесь является равенство потоков через6перегородку молекул растворителя. Так как для молекул растворителя в растворе справапри прохождении через поры может возникать препятствие в виде молекул растворенноговещества (ср. две ситуации, отмеченные на рис. 20.5 овалами), поток со стороны чистогорастворителя слева при прочих равных условиях будет больше.
Компенсация этогоизбыточного потока может быть достигнута, только если давление в растворе будетбольше, чем в растворителе (потоки в жидкости определяются разностью давлений).Появившаяся разница давлений в отсеках сосуда с чистым растворителем и раствором иесть осмотическое давление.Чтобы найти его величину, можно рассуждать следующим образом. Так какрастворенные вещества в формировании равновесия потока молекул растворителя неучаствуют, то их давление в растворе как бы вычитается из общего давления.
Тогдаизбыточное давление чистого растворителя в равновесии должно быть равно давлению,создаваемому молекулами растворенного вещества – это избыточное давлениекомпенсирует «потерю» давления из-за присутствия растворенного вещества. Последнееможно определить, пользуясь аналогией с идеальным газом. Действительно, так какотносительное число молекул растворенного вещества мало и они поэтому окружены восновном молекулами растворителя, то между собой они не взаимодействуют. При этомони движутся подобно молекулам газа хаотически. В этих условиях можно ожидать, чторастворенное вещество оказывает давление на стенки сосуда подобно идеальному газу: 2RTV(20.8)где ν2 – количество молей растворенного вещества (если в растворе присутствуютвещества разного типа, тогда это их суммарное количество). Формула (20.8)подтверждается на опыте, и носит название закона Вант-Гоффа.Эта формула справедлива и для растворов электролитов, если учитывать ионы обоихзнаков и нейтральные молекулы растворенного вещества.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
