Материал из Википедии - свободной энциклопедии
Раство́р - гомогенная (однородная) смесь , состоящая из частиц растворённого вещества, растворителя и продуктов их взаимодействия. «Гомогенный» - значит, каждый из компонентов распределен в массе другого в виде своих частиц, то есть атомов, молекул или ионов. .
Раствор - однофазная система переменного, или гетерогенного, состава, состоящая из двух или более компонентов.
Образование того или иного типа раствора обусловливается интенсивностью межмолекулярного, межатомного , межионного или другого вида взаимодействия, то есть теми же силами, которые определяют возникновение того или иного агрегатного состояния . Отличия: образование раствора зависит от характера и интенсивности взаимодействия частиц разных веществ .
По сравнению с индивидуальными веществами по структуре растворы сложнее .
Химическое взаимодействие растворенного вещества с водой приводит к образованию соединений, которые называются гидратами. Их формулы выражают с помощью формул растворенного вещества и воды, соединённых знаком «.»
Гидратную теорию растворов предложил русский учёный Д. И. Менделеев .
Гидратация - процесс взаимодействия растворяемого вещества с водой.
Кристаллогидраты - кристаллы, в состав которых входят молекулы воды; вода, содержащаяся в кристаллогидратах, - кристаллизационная .
Твёрдые, жидкие, газообразные растворы
Чаще всего под раствором подразумевается жидкое вещество , например, раствор соли или спирта в воде (или даже раствор золота в - амальгама).
Растворение
Растворение - переход молекул вещества из одной фазы в другую (раствор , растворенное состояние). Происходит в результате взаимодействия атомов (молекул) растворителя и растворённого вещества и сопровождается увеличением энтропии при растворении твёрдых веществ и её уменьшением при растворении газов. При растворении межфазная граница исчезает, при этом многие физические свойства раствора (например, плотность, вязкость, иногда - цвет, и другие) меняются.
В случае химического взаимодействия растворителя и растворённого вещества сильно меняются и химические свойства - например, при растворении газа хлороводорода в воде образуется жидкая соляная кислота .
При растворении кристаллических веществ, растворимость которых увеличивается с увеличением температуры, происходит охлаждение раствора ввиду того, что у раствора внутренняя энергия больше, чем у кристаллического вещества и растворителя, взятых отдельно. Например, кипяток, в котором растворяют сахар, сильно охлаждается .
Растворы электролитов и неэлектролитов
Электролиты - вещества, проводящие в расплавах или водных растворах электрический ток. В расплавах или водных растворах они диссоциируют на ионы. Неэлектролиты - вещества, водные растворы и расплавы которых не проводят электрический ток, так как их молекулы не диссоциируют на ионы. Электролиты при растворении в подходящих растворителях (вода , другие полярные растворители) диссоциируют на ионы . Сильное физико-химическое взаимодействие при растворении приводит к сильному изменению свойств раствора (химическая теория растворов).
Вещества, которые в тех же условиях на ионы не распадаются и электрический ток не проводят, называются неэлектролитами.
К электролитам относятся кислоты, основания и почти все соли, к неэлектролитам - большинство органических соединений, а также вещества, в молекулах которых имеются только ковалентные неполярные или малополярные связи.
Растворы полимеров
Растворы высокомолекулярных веществ ВМС - белков , углеводов и др. обладают одновременно многими свойствами истинных и коллоидных растворов.
Концентрация растворов
В зависимости от цели для описания концентрации растворов используются разные физические величины .
- Ненасыщенный раствор - раствор, в котором концентрация растворенного вещества меньше, чем в насыщенном растворе , и в котором при данных условиях можно растворить ещё некоторое его количество.
- Насыщенный раствор - раствор, в котором растворённое вещество при данных условиях достигло максимальной концентрации и больше не растворяется. Осадок данного вещества находится в равновесном состоянии с веществом в растворе.
- Пересыщенный раствор - раствор, содержащий при данных условиях больше растворённого вещества, чем в насыщенном растворе, избыток вещества легко выпадает в осадок. Обычно пересыщенный раствор получают охлаждением раствора, насыщенного при более высокой температуре (пересыщение).
- Концентрированный раствор - раствор с высоким содержанием растворённого вещества в противоположность разбавленному раствору , содержащему малое количество растворённого вещества. Деление растворов на концентрированные и разбавленные не связано с делением на насыщенные и ненасыщеные. Так насыщенный 0,0000134 раствор хлорида серебра является очень разбавленным, а 4 раствор бромида калия , будучи очень концентрированным, не является насыщенным.
- Разбавленный раствор - раствор с низким содержанием растворённого вещества. Отметим, что не всегда разбавленный раствор является ненасыщенным - например, насыщенный 0,0000134М раствор практически нерастворимого хлорида серебра является очень разбавленным. Граница между разбавленным и концентрированным растворами весьма условна.
См. также
Напишите отзыв о статье "Раствор"
Примечания
Литература
- Шахпаронов М. И. Введение в молекулярную теорию растворов. - М .: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1956. - 508 с.
- Реми Г. Курс неорганической химии. - М .: Издательство иностранной литературы, 1963, 1966. - Т. 1-2.
- Streitwieser Andrew. Introduction to Organic Chemistry. - 4th ed.. - Macmillan Publishing Company, New York, 1992. - ISBN ISBN 0-02-418170-6 .
Ссылки
- - статья из энциклопедии «Кругосвет»
- . xumuk.ru. Проверено 11 марта 2015.
|
||||||||||||||||||||||||||||||
Отрывок, характеризующий Раствор
– Eh bien, qu"est ce qu"il y a? [Ну, что еще?] – сказал Наполеон тоном человека, раздраженного беспрестанными помехами.– Sire, le prince… [Государь, герцог…] – начал адъютант.
– Просит подкрепления? – с гневным жестом проговорил Наполеон. Адъютант утвердительно наклонил голову и стал докладывать; но император отвернулся от него, сделав два шага, остановился, вернулся назад и подозвал Бертье. – Надо дать резервы, – сказал он, слегка разводя руками. – Кого послать туда, как вы думаете? – обратился он к Бертье, к этому oison que j"ai fait aigle [гусенку, которого я сделал орлом], как он впоследствии называл его.
– Государь, послать дивизию Клапареда? – сказал Бертье, помнивший наизусть все дивизии, полки и батальоны.
Наполеон утвердительно кивнул головой.
Адъютант поскакал к дивизии Клапареда. И чрез несколько минут молодая гвардия, стоявшая позади кургана, тронулась с своего места. Наполеон молча смотрел по этому направлению.
– Нет, – обратился он вдруг к Бертье, – я не могу послать Клапареда. Пошлите дивизию Фриана, – сказал он.
Хотя не было никакого преимущества в том, чтобы вместо Клапареда посылать дивизию Фриана, и даже было очевидное неудобство и замедление в том, чтобы остановить теперь Клапареда и посылать Фриана, но приказание было с точностью исполнено. Наполеон не видел того, что он в отношении своих войск играл роль доктора, который мешает своими лекарствами, – роль, которую он так верно понимал и осуждал.
Дивизия Фриана, так же как и другие, скрылась в дыму поля сражения. С разных сторон продолжали прискакивать адъютанты, и все, как бы сговорившись, говорили одно и то же. Все просили подкреплений, все говорили, что русские держатся на своих местах и производят un feu d"enfer [адский огонь], от которого тает французское войско.
Наполеон сидел в задумчивости на складном стуле.
Проголодавшийся с утра m r de Beausset, любивший путешествовать, подошел к императору и осмелился почтительно предложить его величеству позавтракать.
– Я надеюсь, что теперь уже я могу поздравить ваше величество с победой, – сказал он.
Наполеон молча отрицательно покачал головой. Полагая, что отрицание относится к победе, а не к завтраку, m r de Beausset позволил себе игриво почтительно заметить, что нет в мире причин, которые могли бы помешать завтракать, когда можно это сделать.
– Allez vous… [Убирайтесь к…] – вдруг мрачно сказал Наполеон и отвернулся. Блаженная улыбка сожаления, раскаяния и восторга просияла на лице господина Боссе, и он плывущим шагом отошел к другим генералам.
Наполеон испытывал тяжелое чувство, подобное тому, которое испытывает всегда счастливый игрок, безумно кидавший свои деньги, всегда выигрывавший и вдруг, именно тогда, когда он рассчитал все случайности игры, чувствующий, что чем более обдуман его ход, тем вернее он проигрывает.
Войска были те же, генералы те же, те же были приготовления, та же диспозиция, та же proclamation courte et energique [прокламация короткая и энергическая], он сам был тот же, он это знал, он знал, что он был даже гораздо опытнее и искуснее теперь, чем он был прежде, даже враг был тот же, как под Аустерлицем и Фридландом; но страшный размах руки падал волшебно бессильно.
Все те прежние приемы, бывало, неизменно увенчиваемые успехом: и сосредоточение батарей на один пункт, и атака резервов для прорвания линии, и атака кавалерии des hommes de fer [железных людей], – все эти приемы уже были употреблены, и не только не было победы, но со всех сторон приходили одни и те же известия об убитых и раненых генералах, о необходимости подкреплений, о невозможности сбить русских и о расстройстве войск.
Прежде после двух трех распоряжений, двух трех фраз скакали с поздравлениями и веселыми лицами маршалы и адъютанты, объявляя трофеями корпуса пленных, des faisceaux de drapeaux et d"aigles ennemis, [пуки неприятельских орлов и знамен,] и пушки, и обозы, и Мюрат просил только позволения пускать кавалерию для забрания обозов. Так было под Лоди, Маренго, Арколем, Иеной, Аустерлицем, Ваграмом и так далее, и так далее. Теперь же что то странное происходило с его войсками.
Несмотря на известие о взятии флешей, Наполеон видел, что это было не то, совсем не то, что было во всех его прежних сражениях. Он видел, что то же чувство, которое испытывал он, испытывали и все его окружающие люди, опытные в деле сражений. Все лица были печальны, все глаза избегали друг друга. Только один Боссе не мог понимать значения того, что совершалось. Наполеон же после своего долгого опыта войны знал хорошо, что значило в продолжение восьми часов, после всех употрсбленных усилий, невыигранное атакующим сражение. Он знал, что это было почти проигранное сражение и что малейшая случайность могла теперь – на той натянутой точке колебания, на которой стояло сражение, – погубить его и его войска.
Когда он перебирал в воображении всю эту странную русскую кампанию, в которой не было выиграно ни одного сраженья, в которой в два месяца не взято ни знамен, ни пушек, ни корпусов войск, когда глядел на скрытно печальные лица окружающих и слушал донесения о том, что русские всё стоят, – страшное чувство, подобное чувству, испытываемому в сновидениях, охватывало его, и ему приходили в голову все несчастные случайности, могущие погубить его. Русские могли напасть на его левое крыло, могли разорвать его середину, шальное ядро могло убить его самого. Все это было возможно. В прежних сражениях своих он обдумывал только случайности успеха, теперь же бесчисленное количество несчастных случайностей представлялось ему, и он ожидал их всех. Да, это было как во сне, когда человеку представляется наступающий на него злодей, и человек во сне размахнулся и ударил своего злодея с тем страшным усилием, которое, он знает, должно уничтожить его, и чувствует, что рука его, бессильная и мягкая, падает, как тряпка, и ужас неотразимой погибели обхватывает беспомощного человека.
Известие о том, что русские атакуют левый фланг французской армии, возбудило в Наполеоне этот ужас. Он молча сидел под курганом на складном стуле, опустив голову и положив локти на колена. Бертье подошел к нему и предложил проехаться по линии, чтобы убедиться, в каком положении находилось дело.
– Что? Что вы говорите? – сказал Наполеон. – Да, велите подать мне лошадь.
Он сел верхом и поехал к Семеновскому.
В медленно расходившемся пороховом дыме по всему тому пространству, по которому ехал Наполеон, – в лужах крови лежали лошади и люди, поодиночке и кучами. Подобного ужаса, такого количества убитых на таком малом пространстве никогда не видал еще и Наполеон, и никто из его генералов. Гул орудий, не перестававший десять часов сряду и измучивший ухо, придавал особенную значительность зрелищу (как музыка при живых картинах). Наполеон выехал на высоту Семеновского и сквозь дым увидал ряды людей в мундирах цветов, непривычных для его глаз. Это были русские.
Русские плотными рядами стояли позади Семеновского и кургана, и их орудия не переставая гудели и дымили по их линии. Сражения уже не было. Было продолжавшееся убийство, которое ни к чему не могло повести ни русских, ни французов. Наполеон остановил лошадь и впал опять в ту задумчивость, из которой вывел его Бертье; он не мог остановить того дела, которое делалось перед ним и вокруг него и которое считалось руководимым им и зависящим от него, и дело это ему в первый раз, вследствие неуспеха, представлялось ненужным и ужасным.
Один из генералов, подъехавших к Наполеону, позволил себе предложить ему ввести в дело старую гвардию. Ней и Бертье, стоявшие подле Наполеона, переглянулись между собой и презрительно улыбнулись на бессмысленное предложение этого генерала.
Наполеон опустил голову и долго молчал.
– A huit cent lieux de France je ne ferai pas demolir ma garde, [За три тысячи двести верст от Франции я не могу дать разгромить свою гвардию.] – сказал он и, повернув лошадь, поехал назад, к Шевардину.
Кутузов сидел, понурив седую голову и опустившись тяжелым телом, на покрытой ковром лавке, на том самом месте, на котором утром его видел Пьер. Он не делал никаких распоряжении, а только соглашался или не соглашался на то, что предлагали ему.
Растворы – термодинамически устойчивые системы переменного состава, состоят не менее чем из двух компонентов и продуктов их взаимодействия. Это дисперсные системы, состоящие из дисперсной фазы и дисперсионной среды. Различают девять систем (табл. 1):
Таблица 1
Дисперсные системы
где Г – газ;
Т – твердое тело;
Ж – жидкость.
Существуют жидкие, газовые и твердые растворы . Растворы отличаются от химических соединений тем, что их состав может изменяться непрерывно. Как и любая химически равновесная в данных условиях система, растворы должны обладать минимумом свободной энергии Гиббса. По своему агрегатному состоянию дисперсные системы могут быть: газообразными, жидкими, твердыми; по степени дисперсности – взвесями, коллоидными и истинными растворами. Взвеси – гетерогенные системы, нестабильные во времени. Частицы их очень малы и сохраняют все свойства фазы. Взвеси расслаиваются, причем диспергированная фаза или выпадает в виде осадка, или всплывает в зависимости от соотношения плотностей. Примеры: туман (жидкость распределена в газе), суспензия (твердое тело – жидкость), эмульсия (жидкость – жидкость, C 2 H 5 OH + H 2 O – этиловый спирт и вода).
В истинном растворе распределенное в среде вещество диспергировано до атомного или молекулярного уровня. Примеры многочисленны: газообразный раствор – воздух, состоящий из главного компонента азота – 78% N 2 ; сплавы, представляющие собой твердые растворы, например, медные Cu – Zn, Cu – Cd, Cu – Ni и др.
Коллоидные растворы – микрогетерогенные системы, занимают промежуточное положение между истинными растворами и взвесями. Растворы состоят из растворенного вещества и растворителя. Растворителем считают тот компонент, который преобладает в растворе. Свойства растворов зависят от концентрации. Рассмотрим способы выражения концентрации растворов.
2. Концентрация и способы ее выражения
Концентрация – количество растворенного вещества, содержащееся в определенном количестве раствора или растворителя. При определении концентрации растворов используются различные методы аналитической химии: весовые, объемные, а также методы, основанные на измерении плотности, показателя преломления и других физико-химических свойств.
Виды концентрации
Массовая доля растворенного вещества в растворе ? , % – отношение массы вещества к массе раствора:
Пример: пусть m (CaCl 2) = 10 г, тогда ? (CaCl 2) = (10/100) ґ 100% = 10%.
Молярность раствора – число молей растворенного вещества в одном литре раствора.
Пример: 1 моль H 2 SO 4 – 98 г, до одного литра надо добавить воду.
Моляльность – число молей растворенного вещества на 1000 г растворителя. Пример:
H 2 SO 4 – 98 г/моль+1000 г H 2 O.
Мольная доля растворенного вещества в растворе, N
где n 1 – растворенное вещество (моль);
n 2 – растворитель (моль).
Пример: имеем 20% NaOH (едкий натр).
Титр – число растворенного вещества в одном миллилитре раствора. Существует титриметрический анализ – метод количественного анализа, при котором содержание определяемого вещества Х рассчитывают на основании измерения количества реактива, затраченного на взаимодействие с Х , выполнение реакции в титриметрическом анализе является конечной стадией анализа. Пример: объем кислоты оттитруем щелочью каплями до исчезновения окрас-ки – полная нейтрализация. При титровании
где Н – нормальность – число моль-эквивалентов растворенного вещества в одном литре раствора.
Основной характеристикой растворов является их растворимость – масса вещества, способная раствориться в ста граммах растворителя при данной температуре; этот процесс сопровождается тепловым эффектом. Количественно растворимость твердого тела, газа, жидкости в жидком растворителе определяется концентрацией насыщенного раствора при данной температуре, т. е. сколько вещества по массе (объему) в данном растворителе. Пример: m (NaCl) – 58,5 г на 100 г H 2 O при данной температуре. Насыщенный раствор – раствор, находящийся в равновесии, с избытком растворяемого вещества. Пересыщенный – неустойчивый раствор, содержащий больше вещества, чем это определяется его растворимостью.
Качественная характеристика состоит в способности растворяться или не растворяться, например, сера в воде не растворяется, йод в воде практически нерастворим. Процесс растворения состоит из двух стадий:
1. Растворимость в воде твердых веществ (разрушение кристаллов – эндотермическая реакция, т. е. тепло поглощается –q 1).
2. Отдельные частицы взаимодействуют с водой, этот процесс носит название – гидратация , при ней тепло выделяется +q 2
Q раствореия = –q 1 + q 2 .
Если –q 1 > q 2 , то суммарный эффект отрицателен (–Q ), если наоборот, то положителен (+Q ).
?H = 0 – одинаковые эффекты, ?H < 0 – тепло выделяется, ?H > 0 – тепло поглощается.
Тепловой эффект растворения – количество тепла одного моля вещества.
вещество + растворитель - насыщенный раствор + Q.
То вещество, которое растворяется с понижением температуры, увеличивает свою растворимость. Рассмотрим растворимость некоторых веществ. Пример, NH 4 NO 3 – нитрат аммония, растворимость падает до нуля, эндотермический эффект реакции. Рассмотрим стадии подробно: на первой стадии – эффект разрушения кристаллической решетки, эндотермический. На второй – равномерное распределение по объему с водой, гидратация – экзотермический.
q 1 > q 2 > – Q – тепло поглощается,
?H > 0.
Другой пример, NaOH – едкий натр, экзотермический эффект реакции,
q 1 < q 2 > +Q – тепло выделяется.
Значит, растворимость определяется природой соли вещества и растворителя.
Другой характеристикой растворов является диэлектрическая проницаемость – во сколько раз сила взаимодействия между двумя зарядами меньше, чем в вакууме.
Если растворить в ста миллилитрах водопроводной воды 10 г едкого натра NaOH, то температура резко повышается до 60 o С (температура воды из водопроводного крана +20 o С).
Если растворить 40 г нитрата аммония NH 4 NO 3 в 100 мл этой же воды, то температура резко понижается от +20 o С до –7 o С.
Если растворить хлорид натрия NaCl в 100 мл водопроводной воды, то температура не изменяется.
3. Растворимость газов в жидкостях
Она зависит от давления и температуры. Растворимость газов неодинакова из-за различной химической природы.
N 2 , H 2 – мало растворимы в воде, растворимость NH 3 , HCl очень велика, в одном объеме H 2 O растворяется 700 объемов аммиака NH 3 .
Газ + H 2 O > 3,5 объема О 2 в одном объеме Н 2 О экзотермический процесс. С повышением температуры растворимость некоторых газов уменьшается. При постоянной температуре и невысоком давлении растворимость газов, не вступающих в химическое взаимодействие с растворителем, подчиняется закону Генри – Дальтона, который состоит из нескольких частей.
1 часть: масса газа, растворяющаяся в данном объеме жидкости, пропорциональна давлению, которое газ производит на жидкость.
Например, CO 2 под давлением загоняем в бутылку.
2 часть: объем газа не зависит от давления.
3 часть: если смесь газов растворять, то растворимость каждой составной части пропорциональна своему парциальному давлению.
Газы, реагирующие с водой, не подчиняются закону Генри – Дальтона.
4. Растворы неэлектролитов. Закон Рауля и его следствия
Рассмотрим модель идеального раствора. Раствор называется идеальным , если в нем отсутствует взаимодействие между частицами (молекулами, атомами, ионами). Растворы неэлектролитов – частицы, плохо растворимые в воде, так как нет носителя электрического заряда. Закон Рауля справедлив только для разбавленных растворов неэлектролитов.
Пусть P BO – давление пара над чистым растворителем, при постоянной температуре T 1 ; P B – давление пара растворителя при этой же температуре, но над раствором, состоящим из нелетучего компонента А (сахар), и чистым жидким растворителем В :
P B = f (T ).
Разность P BO – P B равна понижению давления пара.
Величина (P BO – P B) /P BO – относительное понижение упругости пара = X A = ?P/P BO , где X A – мольная доля, P BO > P B , ?P = P BO – P B – абсолютное понижение упругости пара.
Закон Рауля. Относительное понижение упругости пара растворителя над раствором равно мольной доле растворенного нелетучего компонента.
барометрическая формула Больцмана.
Следствия из закона Рауля:
1. Растворение нелетучего компонента в растворителе приводит к расширению температурной области существования жидкой фазы.
2. Понижение температуры замерзания и повышение температуры кипения прямо пропорциональны моляльной концентрации растворенного вещества.
3. Растворы, содержащие одинаковое число молей растворенных веществ в одинаковых молях растворителя, обнаруживают одно и то же понижение температуры замерзания и одно и то же повышение температуры кипения.
?t кип =Э x С моляльн,
где Э – эбуллиоскопическая константа, +0,52.
?t зам =К x С моляльн,
где К – криоскопическая константа, равная –1,86.
Эбуллиоскопическая константа – разница между температурой кипения раствора и температурой чистого растворителя.
Криоскопическая константа – разница между температурой замерзания раствора и температурой чистого растворителя.
Для решения задач об этих константах необходимо знать массу растворенного вещества и массу раствора. Например, масса хлороформа (трихлорметан CHCl 3) рассчитывается по формуле:
где m 1 – масса растворенного вещества;
m 2 – масса растворителя;
?t – величина, показывающая на сколько градусов понизилась температура;
К – криоскопическая константа.
Осмос – явление селективной диффузии определенного сорта частиц через полупроницаемую перегородку. Это явление впервые описал аббат Нолле в 1748 г. Перегородки, проницаемые только для воды или другого растворителя и непроницаемые для растворенных веществ, как низкомолекулярных, так и высокомолекулярных, могут быть изготовлены из полимерных пленок (коллодия) или гелеобразных осадков, например, ферроцианида меди Cu 2 ; этот осадок образуется в порах перегородки стеклянного фильтра при погружении пористого материала сначала в раствор медного купороса (CuSO 4 x 5H 2 O), а затем желтой кровяной соли K 2 . Вещества диффундируют через такую перегородку, что является важным случаем осмоса, позволяющим измерять осмотическое дав-ление, т. е. осмотическое давление – мера стремления растворенного вещества перейти вследствие теплового движения в процессе диффузии из раствора в чистый растворитель; распределяется равномерно по всему объему растворителя, понизив первоначальную концентрацию раствора.
За счет осмотического давления сила заставляет жидкость подниматься вверх, это осмотическое давление уравновешивается гидростатическим давлением. Когда скорости диффундирующих веществ станут равны, тогда осмос прекратится.
Закономерности:
1. При постоянной температуре осмотическое давление раствора прямо пропорционально концентрации растворенного вещества.
2. Осмотическое давление пропорционально абсолютной температуре.
В 1886 г. Я. Г. Вант-Гофф показал, что величина осмотического давления может быть выражена через состояние газа
P осн V = RT .
Закон Авогадро применим к разбавленным растворам: в равных объемах различных газов при одинаковой температуре и одинаковом осмотическом давлении содержится одинаковое число растворенных частиц. Растворы различных веществ, имеющие одинаковые молярные концентрации при одинаковой температуре, имеют одинаковое осмотическое давление. Такие растворы называются изотоническими.
Осмотическое давление не зависит от природы растворяемых веществ, а зависит от концентрации. Если объем заменить на концентрацию, получим:
Рассмотрим закон Вант-Гоффа : осмотическое давление раствора численно равно тому давлению, которое производило бы данное количество растворенного вещества, если бы оно в виде идеального газа занимало при данной температуре объем, равный объему раствора.
Все описанные законы относятся к бесконечно разбавленным растворам.
Парциальное давление
Парциальное давление – то давление, которое оказывал бы газ, входящий в газовую смесь, если бы из нее были удалены все остальные газы при условии сохранения постоянными температуры и объема.
Общее давление газовой смеси определяется законом Дальтона : общее давление смеси газов, занимающих определенных объем, равно сумме парциальных давлений, которыми обладал бы каждый отдельно взятый газ, если бы он занимал объем, равный объему смеси газов.
Р = Р 1 + Р 2 + Р 3 + … + Р к ,
где Р – общее давление;
Р к – парциальное давление компонентов.
6. Фугитивность
Фугитивность – функция, характеризующая состояние данного вещества в чистом виде или в смеси с другими веществами при заданных температуре и давлении. По-другому она называется термодинамическая летучесть; является величиной, количественно характеризующей способность вещества к выходу из данной фазы, но выражающей эту характеристику в единицах давления. Для жидкостей и твердых тел она связана с давлением насыщенного пара и становится равной ему, когда к пару применимы законы идеальных газов. Для идеального газа, чтобы найти, например, изменение энергий Гиббса при изотермическом процессе, надо просто решить задачу в соответствии с уравнением Менделеева – Клапейрона:
Для упрощения расчета Г. Льюисом в 1901 г. была введена функция f от Р – фугитивность. Заменяя давление фугитивностью, мы сохраняем простую математическую форму, которую имеют термодинамические зависимости для идеального газа.
Итак, новая функция определяется уравнением:
Значения фугитивности при больших давлениях (и низких температурах) сильно отличаются от Р. Так, при t = 0 и Р = 1200, f co = 2663, при t = 0, P = 100, f NH3 = 204, а для N 2 при t = –75, P = 6000, f – 2 x 10 6 , то есть фугитивность становится несоизмеримой с давлением.
Фугитивность можно определить как давление, которое должна производить данная реальная система, чтобы оказывать такое же действие, как и идеальная. Она характеризует отклонение от идеального состояния и, подобно давлению для идеального газа, может рассматриваться как мера рассеиваемости вещества. С приближением реального газа к идеальному состоянию/по величине приближается к Р, так что для идеального газа при всех давлениях обе величины становятся равными, то есть:
Видно, что размерность/совпадает с размерностью Р. Следует подчеркнуть, что замена Р на/в уравнениях идеального газа при переходе к реальному справедлива только для изотермического процесса, так как в соответствии с (2) фугитивность является специфической изотермической функцией. Для характеристики степени отклонения газа от идеального состояния вводят также величину
где ? – коэффициент фугитивности.
7. Закон Генри
Фугитивность растворителя в разбавленном растворе не зависит от природы растворенного вещества и вычисляется по закону Рауля, то есть:
Так как фугитивность жидкости или твердого раствора равна фугитивности насыщенного пара, когда растворитель в парообразном состоянии ведет себя как идеальный газ, уравнение (4) переходит в
Зная зависимостьf 1 от состава, можно найти зависимость f 2 от N 2 по уравнению:
N 1 dRT ln (f 1 N 1) + N 2 dRT ln f 2 = 0
ln f 2 = l n N 2 + const.
Переписывая это уравнение в виде
ln f 2 = l n N 2 + ln K(P, T),
получим при P,T= const
f 2 = KN 2
Если в последнем уравнении рассматривать f 2 как фугитивность растворенного вещества в газовой фазе, сосуществующей жидкой (твердой), то она является точной термодинамической формой закона Генри .
Его формулировка: зависимость растворимости газа в жидкости от давления, заключается в том, что при постоянной температуре газа, растворенного в данной жидкости, растворимость газа пропорциональна его давлению над раствором.
Краткая формулировка: растворимость газа пропорциональна давлению. Этот закон установлен в 1803 г. Ему отвечает уравнение:
где Р 2 – парциальное давление растворенного газа.
Газовый закон Генри точно соблюдается только для идеальных растворов и применим лишь в области невысоких давлений к газам, достаточно хорошо подчиняющимся законам Бойля – Мариотта и Гей-Люссака.
Таким образом, для разбавленного раствора фугитивность растворителя вычисляется по закону Рауля, а фугитивность растворенного вещества – по закону Генри. Константа Генри приобретает смысл фугитивности (давления) чистого растворенного вещества при давлении, равном общему давлению над раствором.
Растворы.
Растворами называют однородные системы переменного состава. Химический состав и физические свойства одного раствора во всех частях его объёма одинаковы.
В отличие от простого смешивания веществ, при растворении происходит взаимодействие между частицами , образующими раствор.
Часто для определения раствора используют понятия гомогенной и системы.
В этом случае, раствором называется гомогенная система , состоящая из двух или более компонентов.
Гомогенные и гетерогенные системы
Гомогенная система (от греч. όμός - равный, одинаковый; γένω - рождать) - однородная система, химический состав и физические свойства которой во всех частях одинаковы или меняются непрерывно, без скачков (между частями системы нет поверхностей раздела).
В гомогенной системе из двух и более химических компонентов каждый компонент распределен в массе другого в виде молекул, атомов, ионов. Составные части гомогенной системы нельзя отделить друг от друга механическим путем.
Гетерогенная система (от греч. έτερος - разный; γένω - рождать) - неоднородная система, состоящая из однородных частей (фаз), разделённых поверхностью раздела.
Растворы могут существовать в трёх агрегатных состояниях – твёрдом, жидком и газообразном (парообразном). Примерами твёрдых растворов могут служить некоторые сплавы металлов, например сплав золота и меди, газообразных – воздух.
Наиболее важный вид растворов – жидкие растворы.
Растворы имеют чрезвычайно важное значение в жизни человека. Так, процессы усвоения пищи человеком и животными связаны с переводом питательных веществ в раствор. Растворами являются все важнейшие физиологические жидкости (кровь, лимфа и т.д.).
Растворители
Всякий раствор состоит из растворённых веществ и растворителя, т.е. среды, в которой эти вещества равномерно распределены в виде молекул и ионов.
Обычно растворителем считают тот компонент, который в чистом виде существует в том же агрегатном состоянии, что и полученный раствор. Например, в случае водного раствора соли растворителем является вода.
Если же оба компонента до растворения находились в одинаковом агрегатном состоянии (например, спирт и вода), то растворителем считается компонент, находящийся в большем количестве.
Истинные и коллоидные растворы
В растворах вещества могут находиться в различных степенях дисперсности (т.е. раздробленности). Величина частиц служит важным признаком, обуславливающим многие физикохимические свойства растворов.
По величине частиц растворы делятся на:
1. Истинные растворы (размер частиц меньше 1 мкм) и
2. Коллоидные растворы (размер частиц от 1 до 100 мкм).
Смеси с частицами размером более 100 мкм образуют взвеси: суспензии и эмульсии .
Истинные растворы могут быть ионными или молекулярными в зависимости от того, диссоциирует ли растворённое вещество на ионы или остаётся в недиссоциированном состоянии в виде молекул.
Коллоидные растворы резко отличаются по свойствам от истинных растворов. Они гетерогенны , так как имеют поверхность раздела между фазами – растворённым веществом (дисперсной фазой ) и растворителем (дисперсионной средой ).
Растворы высокомолекулярных соединений: белков, полисахаридов, каучука обладают свойствами как истинных, так и коллоидных растворов и выделяются в особую группу.
Растворы, механические смеси и химические соединения
Однородность растворов делает их очень сходными с химическими соединениями.
Химическое соединение - сложное вещество, состоящее из химически связанных атомов двух или нескольких элементов.
Раствор это не одно химическое соединение, а как минимум два смешанных соединения. В отличие от простого смешивания веществ, при растворении происходит взаимодействие между частицами, образующими раствор .
Выделение теплоты при растворении некоторых веществ тоже указывает на химическое взаимодействие между растворителем и растворяемым веществом.
Отличие растворов от химических соединений состоит в том, что состав раствора может изменяться в широких пределах. Кроме того, в свойствах раствора можно обнаружить многие свойства его отдельных компонентов, чего не наблюдается в случае химического соединения.
Непостоянство состава растворов приближает их к механическим смесям.
Механическая смесь - физико-химическая система, в состав которой входят два или несколько химических соединений (компонентов). В смеси исходные вещества включены неизменными. При смешивании не возникает никакое новое вещество .
От механических смесей растворы резко отличаются своею однородностью. Таким образом, растворы занимают промежуточное положение между механическими смесями и химическими соединениями.
Процесс растворения
Растворение кристалла в жидкости протекает следующим образом.
Когда вносят кристалл в жидкость, в которой он может растворяться, от поверхности его отрываются отдельные молекулы. Последние благодаря диффузии равномерно распределяются по всему объёму растворителя.
Отделение молекул от поверхности твёрдого тела вызывается, с одной стороны, их собственным колебательным движением, а сдругой – притяжением со стороны молекул растворителя.
Этот процесс должен был бы продолжаться до полного до полного растворения любого количества кристаллов, если бы не происходил обратный процесс – кристаллизация . Перешедшие в раствор молекулы, ударяясь о поверхность ещё не растворившегося вещества, снова притягиваются к нему и входят в состав его кристаллов.
Понятно, что выделение молекул из раствора будет идти тем быстрее, чем больше концентрация раствора . А так как последняя по мере растворения вещества увеличивается, то, наконец наступает такой момент, когда скорость растворения становится равной скорости кристаллизации . Тогда устанавливается динамическое равновесие , при котором в единицу времени растворяется и кристаллизуется одинаковое число молекул.
Раствор, находящийся в равновесии с растворяющимся веществом, называется насыщенным раствором .
Концентрация растворов
Насыщенными растворами приходится пользоваться сравнительно редко. В большинстве случаев употребляются растворы ненасыщенные, т.е. с меньшей концентрацией растворённого вещества, чем в насыщенном растворе.
Концентрацией раствора называется количество растворённого вещества, содержащееся в определённом количестве раствора или растворителя .
Растворы с большой концентрацией растворённого вещества называются концентрированными , с малой – разбавленными .
Концентрацию раствора можно выражать по разному:
1. В процентах растворённого вещества по отношению ко всему количеству раствора.
2. Числом грам-молекул растворённого вещества, содержащегося в 1 литре раствора.
3. Числом грамм-молекул растворённого вещества, содержащегося в 1000 г растворителя
и т.д.
Растворимость
Растворимостью называется способность вещества растворяться в том или ином растворителе .
Мерой растворимости вещества при данных условиях служит концентрация его насыщенного раствора .
Растворимость различных веществ колеблется в широких пределах.
- Если в 100 граммах
воды растворяется более 10 г
вещества, то такое вещество
принято называть хорошо растворимым . - Если растворяется менее 1 г вещества – малорастворимым .
- Если в раствор переходит менее 0,01 г
вещества, то такое вещество называют
практически нерастворимым .
Принципы, позволяющие предсказать растворимость вещества, пока не известны. Однако, обычно вещества, состоящие из полярных молекул, и вещества с ионным типам связи лучше растворяются в полярных растворителях (вода, спиры, жидкий амиак), а неполярные вещества – в неполярных растворителях (бензол, сероуглерод).
Растворение большинства твёрдых тел сопровождается поглощением теплоты. Это объясняется затратой значительного количества энергии на разрушение кристаллической решётки твёрдого тела, что обычно не полностью компенсируется энергией, выделяющейся при образовании гидратов (сольватов).
Как правило, повышение температуры должно приводить к увеличению растворимости твёрдых тел.
Растворами называют однородные (гомогенные) системы, которые состоят из двух или более компонентов, относительное количество которых может изменяться в широких пределах без нарушения однородности.
Компонентами раствора называют растворитель и растворенные в нем вещества. Растворитель - это среда, в которой растворенные вещества равномерно распределены в виде молекул или ионов. Из двух или нескольких компонентов раствора растворителем является тот, который взят в большем количестве и имеет то же агрегатное состояние, что и раствор в целом.
Самым распространенным растворителем в природе является вода. Растворы классифицируют по ряду признаков:
По агрегатному состоянию растворы могут быть:
― жидкими (жидкие растворы можно получить растворением газа в жидкости, например, газированная вода является раствором оксида углерода (IV) в воде; жидкости в жидкости, например, раствор спирта в воде; твердого вещества в жидкости, например, раствор соли в воде и т.д.).
― газообразными (примером газообразных растворов является воздух, состоящий из кислорода, азота, оксида углерода, благородных газов и водяного пара; молекулы этих веществ ведут себя как молекулы газа, то есть воздух является гомогенной системой);
― твёрдыми (к таким растворам относится большинство металлических сплавов; сталь, например, представляет собой кристаллический раствор углерода в железе).
Обычно термин растворы относится к жидким системам.
В зависимости от природы растворителя растворы могут быть:
― водные;
― неводные (спиртовые, бензольные и т.п.).
По типу вещества в растворе растворы подразделяются на:
― электролиты (вещества, которые в растворе или расплаве распадаются на ионы и проводят электрический ток);
― неэлектролиты.
― разбавленные (содержание растворенного вещества не превышает 30%;
― концентрированные (массовая доля растворенного вещества составляет свыше 30%).
Однако границы между разведенными и концентрированными растворами условны. Например, для серной кислоты концентрированным считается раствор, содержащий 96 г Н 2 SO 4 , для азотной - 63 г HNO 3 , для соляной - 37 г HCI в 100 г воды.
В зависимости от концентрации ионов водорода растворы могут быть:
― кислыми (рН<7);
― нейтральными (рН=7);
― щелочными (рН>7).
По способности веществ растворятся при данных условиях в определенной массе растворителя растворы бывают:
Ненасыщенные (раствор, в котором при данных условиях можно растворить еще некоторое количество растворенного вещества);
Насыщенные (раствор, в котором растворённое вещество при данных условиях достигло максимальной концентрации и больше не растворяется); осадок данного вещества находится в равновесном состоянии с веществом в растворе;
Пересыщенные (раствор, содержащий при данных условиях больше растворённого вещества, чем в насыщенном растворе, избыток вещества легко выпадает в осадок). Обычно пересыщенный раствор получают охлаждением раствора, насыщенного при более высокой температуре (пересыщение). Перенасыщенные растворы очень неустойчивы. Помешивание, встряхивание, добавление крупинок соли может вызвать кристаллизацию избытка соли и переход в насыщенное устойчивое состояние.
В повседневной жизни человек постоянно сталкивается с различными растворами - напитками, лекарственными микстурами, бытовой химией и проч. Казалось бы, нет ничего проще, чем приготовить какой-нибудь коктейль (типичный раствор), а, между тем, сама природа процесса растворения одного вещества в другом достаточно сложна.
Современная наука утверждает, что растворение является физико-химическим процессом.
Одним из главных физических процессов, происходящим во время растворения, является диффузия (проникновение) растворяемого вещества в растворителе. Диффузия обусловлена хаотическим тепловым движением молекул (атомов, ионов) - сначала образуется пограничный диффузионный слой между двумя растворяемыми веществами, в пределах которого идет интенсивное перемешивание частиц различных веществ друг с другом, вызываемое разностью в плотности растворителя и растворяемого вещества.
Процесс растворения может сопровождаться выделением (поглощением) тепла, изменением цвета раствора и прочими химическими превращениями, что дает основание говорить о наличии химических процессов, сопровождающих растворение.
Растворение сопровождается формированием химических связей (сольватацией ) между растворителем и растворяемым веществом (если в качестве растворителя выступает вода - гидратацией ), при этом, продукты взаимодействия растворяемого вещества с растворителем называют сольватами (если в качестве растворителя выступает вода - гидратами).
Сольваты (гидраты) являются малоустойчивыми веществами. Гидраты, существующие в кристаллическом состоянии, называются кристаллогидратами (медный купорос, железный купорос).
Классификация растворов:
- Жидкие растворы (сладкий чай).
- Твердые растворы (сплавы).
- Газообразные растворы (воздух).
Конечно же, самыми распространёнными являются жидкие растворы. Обычно, говоря о растворах, подразумеваются жидкие растворы.
Любой жидкий раствор состоит из растворителя (жидкая среда, в которой происходит процесс растворения) и растворенных веществ , которые растворяются в жидкости.
Классификация жидких растворов:
- жидкость + газ;
- жидкость + жидкость;
- жидкость + твердое вещество.
Что такое растворимость
Растворимостью называют способность вещества образовывать растворы - одни вещества могут растворяться друг в друге неограниченно; другие - только в ограниченных количествах или же практически не растворяться вообще.
Растворимость конкретного вещества зависит от его природы и природы растворителя, а также условий, при которых происходит процесс растворения: температура, давление, наличие третьих веществ.
Старинное правило гласит: "подобное растворяется в подобном", т. е., неполярные вещества хорошо растворяются в неполярных растворителях (бензол в гексане), а полярные - в полярных (этиловый спирт в воде), и наоборот - неполярные вещества в полярных растворителях растворяются плохо (бензол в воде).
Насыщенным раствором называется раствор, в котором при данной температуре определенное вещество не растворяется (говорят, что растворяемое вещество находится в состоянии равновесия с раствором).
Соответственно, аналогичный раствор с кол-вом растворяемого вещества меньшим, чем в насыщенном растворе, называют ненасыщенным.
Таким образом, численно растворимость можно выразить, как концентрацию вещества в его насыщенном растворе.
Растворимость конкретного вещества выражается через коэффициент растворимости (масса растворенного вещества, которая насыщает 100 г растворителя при определенных условиях).
Все вещества по их растворимости в воде можно разделить на 3 группы:
- растворимые в воде вещества - растворимость более 1 г на 100 мл воды;
- малорастворимые вещества - 0,1..1 г на 100 мл;
- нерастворимые вещества - менее 0,1 г на 100 мл.
Растворимость твердых веществ сильно зависит от температуры (обычно, чем выше температура, тем лучше их растворимость).
Растворимость газов в воде увеличивается с повышением давления (кто откупоривал бутылку шампанского, тот это хорошо знает). Также об этом хорошо знают водолазы, которые вынуждены после длительного пребывания на большой глубине (под высоким давлением) постепенно в течение часов подниматься на поверхность (либо проходить адаптацию в барокамере), в противном случае, при быстром подъеме водолаза с большой глубины развивается кессонная болезнь, когда азот, в больших количествах растворенный в плазме крови человека, начинает выделяться в виде пузырьков (кровь закипает), закупоривая мелкие сосуды и капилляры, угрожая жизни водолаза.
