Растворы

Растворы (истинные) – это гомогенные (однородные) системы переменного состава, состоящие из двух и более компонентов, которые связаны между собой силами физического и химического взаимодействия. Один из компонентов раствора, не меняющий своего агрегатного состояния или взятый в большем мольном количестве – растворитель, остальные – растворенные вещества. Если одним из компонентов является жидкость, а другим — газы или твёрдые вещества, то растворителем считают жидкость.

Содержание растворенного вещества в определенном количестве (массе или объеме) раствора или растворителя называют концентрацией раствора.

Способы выражения концентрации раствора:

1) Массовая доля растворенного вещества в растворе ω – число единиц массы (г,кг) растворенного вещества, содержащихся в 100 единицах массы (г,кг) раствора.

m_в-ва

ω = ------------

m_р-ра

2) Массовая доля растворенного вещества в растворе, выраженная в процентах С% - называется процентной концентрацией.

m_в-ва

С% = --------- 100%

m_р-ра

3) Молярная концентрация вещества (С) – это количество растворенного вещества (моль), содержащееся в 1л раствора.

n_{раствореннного вещества}

С = ---------------------, моль /л или моль/м³

V_{раствора}

(Вместо обозначения моль/л допускается обозначение М. Напр. 1 М H₂SO₄ – одномолярный раствор серной кислоты).

4) Молярная концентрация эквивалента С_экв. – количество эквивалентов растворенного вещества, содержащегося в 1л раствора.

n(1/zX)

С = --------------, моль /л или моль/м³

V_{раствора}

(Вместо обозначения моль/л допускается обозначение н.. Напр. 1н.H₂SO₄ – однонормальный раствор серной кислоты).

5) Мольная концентрация (моляльность) Сm - это количество молей растворенного вещества в 1кг растворителя.

n_{раствореннного вещества}

Сm = ---------------------, моль /кг

m _{растворителя}

6) Объемная доля растворенного вещества – число единиц объема растворенного вещества (л, мл, см³), содержащегося в 100 единицах объема раствора (л, мл, см³).

V_{вещества} V_{вещества}

φ = -----------, (доли единиц) или φ = ----------- 100% (%)

V_{раствора} V_{раствора}

7) Титр раствора (Т) – содержание г растворенного вещества в 1мл раствора.

m_{растворенного вещества}

Т = ------------------------, г/мл

V_{раствора}

Используя величину титра, можно определить молярную концентрацию раствора:

Т_{раствора} · 1000

С = ------------------, моль/л

М_{вещества}

8) Коэффициент растворимости (S) – масса растворенного вещества, приходящаяся в насыщенном растворе на 100г растворителя:

m_{растворенного вещества}

S = ------------------------

m_{растворителя}

Часто в расчетах концентрации раствора необходимо использование величины плотности растовора, показывающей массу вещества (г,кг,т) в единице объема (мл, л, м³).

9) Плотность раствора (p)– отношение массы раствора к его объему.

m_{раствора}

р = ----------, (г/мл, кг/л, т/м³, г/см³)

V_{раствора}

Пример решения задачи:
Какой % концентрации станет раствор, если к 200 г 10 % раствора NaCl добавить 400 мл воды?

Решение
1. Узнаем, сколько граммов NaCl содержится в 200 г 10 % раствора (составим пропорцию):
в 200 г раствора – Х г NaCl (из условия),
в 100 г раствора – 10 г NaCl (10 % раствор), х = 20 г
2. Узнаем массу нового раствора:
m = V · ρ; m = 400 мл ∙ 1г/мл=400г (воды).
m раствора = 200 г + 400 г = 600 г раствора,
3. В 600 г раствора – 20 г NaCl,
в 100 г раствора – Х г NaCl, х = 3,3 г

Масса растворенного вещества NaCl осталась неизменной (в первоначальном растворе сколько было – осталось в новом растворе).
Ответ: т. к. 3,3 г NaCl приходится на 100 г раствора – это и будет % концентрацией раствора, т. е. = 3,3 % раствор.

Задания для контроля усвоения темы

1. Сколько литров 32% раствора азотной кислоты (р=1,2 г/мл) получится из 200 л аммиака при н.у..

2. Сколько граммов оксида серы (VI) содержится в 200г 49% раствора серной кислоты?

3. Определите массовую долю (в %) серной кислоты в 5М растворе (р=1,290 г/мл).

4. Какой объем 37% раствора соляной кислоты (р=1,190 г/мл) потребуется для приготовления 1,5 л 0,2М раствора.

5. Сколько литров 32% раствора азотной кислоты (р = 1,200г/мл) получится из 200л аммиака при н.у.

6. Определите молярную концентрацию эквивалента 40% раствора азотной кислоты (р=1,25 г/мл).

7. Рассчитайте по правилу смешения количества необходимые для приготовления:

а) 40% раствора из 50% -го и 25% - го растворов;

б) 20% раствора из 70%-го и 5%-го растворов;

в) 20% раствора из 40% -го раствора и воды.

Задания с профессиональной направленностью

1. Концентрация раствора серной кислоты в аккумуляторе оставляяет» 35%. Рассчитайте сколько мл 50% серной кислоты необходимо прилить к 1л 20% раствора серной кислоты (р =1,14 г/мл), чтобы получить раствор 35% серной кислоты.

2. Сколько 1% раствора серной кислоты можно получить из 1л 96% раствора серной кислоты (р=1,84 г/мл), необходимой для кислования содовых солонцов.

3. Подсчитано, что за сутки в атмосфере земного шара образуется вследствие грозовых разрядов 250000т азотной кислоты. Какова средняя суточная концентрация азотной кислоты в воздухе (в %), если масса всей атмосферы оценивается в 5 ·10¹⁵т?

4. Ржавчина – опасное грибковое заболевание пионов. Для профилактики этого заболевания растения опрыскивают раствором гипохлорита меди с массовой долей Сu(ОCl)₂ 0,5%. Рассчитайте массу катионов меди в растворе гипохлорита, взятом массой 2кг.

^5. Один из самых безопасных препаратов для борьбы с мучнистой росой крыжовника – 0,05М водный раствор соды с добавлением мыла. Приготовьте 200мл такого раствора из кристаллической соды.

^6. . Нитрат меди (II) используется для повышения плодородия почв: катионы меди Cu²⁺ губительно воздействуют на вредителей сельскохозяйственных растений, ионы NO₃^- усваиваются растениями, обогащая растительный организм азотом. Рассчитайте, какое количество кристаллогидрата Cu(NO₃)₂ ∙3H₂O необходимо для приготовления 10л 1М раствора нитрата меди (II).

7. Рассчитайте массу кристаллогидрата хлорида бария двуводного (ядохимикат), полученного нейтрализацией гидроксида бария количеством вещества 1,5 моль с раствором соляной кислоты объемом 200мл и массовой долей 15% (р=1,073г/см³).

8. Для предпосевной обработки семян используют 7л 0,1% раствора сульфата марганца (р=1г/см³) на 1ц семян. Рассчитайте сколько необходимо взять безводной соли MnSO₄, содержащей 32,5% марганца, для обработки 10кг семян.

9. Сульфат аммония, который применяется в качестве азотного удобрения, содержит 21% азота. Рассчитайте массу сульфата аммония, необходимого для приготовления 0,2н. раствора сульфата аммония с целью внесения на 1га почвы 70кг азота (у.н.).

10. Бургундская жидкость используется для борьбы с паршой, плодовой гнилью, ржавчиной яблони, бурой пятнистостью листьев груши, черной гнилью, фитофторозом. Для приготовления бургундской жидкости смешивают раствор медного купороса и карбоната натрия (бельевая сода). На 1кг медного купороса идет 1кг соды и все это растворяется в 100л воды. Рассчитайте молярную и % концентрацию приготовленного раствора.

В растворах все компоненты находятся в молекулярно-дисперсном состоянии; они равномерно распределены в виде отдельных атомов, молекул, ионов или в виде групп из сравнительно небольшого числа этих частиц. С термодинамической точки зрения растворы — фазы переменного состава, в которых при данных внешних условиях соотношение компонентов может непрерывно меняться в некоторых пределах. растворы могут быть газообразными, твёрдыми. Чаще же всего термин «растворы» относят к жидким растворым.

Практически все жидкости, встречающиеся в природе, представляют собойрастворы: морская вода — раствор большого числа неорганических и органических веществ в воде, нефть — раствор многих, как правило органических, компонентов и т.д. Растворы широко представлены в технике и повседневной практике человека.

Классификация растворов основана на различных признаках. Так, в зависимости от концентрации растворённого вещества растворы делят на концентрированные и разбавленные; в зависимости от характера растворителя — на водные и неводные (спиртовые, аммиачные и т.п.); в зависимости от концентрации ионов водорода — на кислые, нейтральные и щелочные.

При определённых температуре и давлении растворение одного компонента в другом обычно происходит в некоторых пределах изменения концентраций. Раствор, находящийся в равновесии с одним из чистых компонентов, называемом насыщенным, а его концентрация — растворимостью этого компонента. При концентрациях растворённого вещества, меньших его растворимости, раствор является ненасыщенным. Если раствор не содержит центров кристаллизации, то его можно переохладить так, что концентрация растворённого вещества окажется выше его растворимости, а раствор становится пересыщенным.

Растворимость S – это способность данного вещества растворяться в данном растворителе. Величина растворимости характеризует равновесие между двумя фазами, поэтому на неё влияют все факторы, смещающие это равновесие (в соответствии с принципом Ле Шателье – Брауна). Явление растворимости очень сложное и поддается лишь ориентировачному прогнозу. Давно известно, что подобное растворяется в подобном. В воде растворяются преимущественно кислородосодержащие вещества, а также бинарные соли. В органических жидкостях растворяются всевозможные органические вещества. Способность веществ растворяться упрощенно характеризуют так: хорошо растворимо, плохо растворимо, умеренно растворимо, нерастворимо. При этом подразумевается содержание вещества в насыщенном растворе.

Растворимость чаще всего выражают через коэффициент растворимости Кs, отражающий массу вещества, которая образует насыщенный раствор в 100г воды или другого растворителя. Величины Кs приводятся в справочных таблицах.

Образование раствора является сложным физико-химическим процессом. Процесс растворения всегда сопровождается увеличением энтропии системы; при образовании растворов часто имеет место выделение либо поглощение теплоты. Теория растворов должна объяснять все эти явления. Исторически сложились два подхода к образованию растворов – физическая теория, основы которой были заложены в XIX веке, и химическая, основоположником которой был Д.И.Менделеев.

Физическая теория растворов рассматривает процесс растворения как распределение частиц растворенного вещества между частицами растворителя, предполагая отсутствие какого-либо взаимодействия между ними. Единственной движущей силой такого процесса является увеличение энтропии системы ΔS; какие-либо тепловые или объемные эффекты при растворении отсутствуют (ΔН = 0, ΔV = 0; такие растворы принято называть идеальными).

Химическая теория рассматривает процесс растворения как образование смеси неустойчивых химических соединений переменного состава, сопровождающееся тепловым эффектом и изменением объема системы (контракцией), что часто приводит к резкому изменению свойств растворенного вещества (так, растворение бесцветного сульфата меди СuSО₄ в воде приводит к образованию окрашенного раствора, из которого выделяется не СuSО₄, а голубой кристаллогидрат СuSО₄·5Н₂О). Современная термодинамика растворов основана на синтезе этих двух подходов.

В общем случае при растворении происходит изменение свойств и растворителя, и растворенного вещества, что обусловлено взаимодействием частиц между собой по различным типам взаимодействия: Ван-дер-Ваальсового (во всех случаях), ион-дипольного (в растворах электролитов в полярных растворителях), специфических взаимодействий (образование водородных или донорно-акцепторных связей). Учет всех этих взаимодействий представляет собой очень сложную задачу. Очевидно, что чем больше концентрация раствора, тем интенсивнее взаимодействие частиц, тем сложнее структура раствора. Поэтому количественная теория разработана только для идеальных растворов, к которым можно отнести газовые растворы и растворы неполярных жидкостей, в которых энергия взаимодействия разнородных частиц E_A-B близка к энергиям взаимодействия одинаковых частиц E_A-A и E_B-B. Идеальными можно считать также бесконечно разбавленные растворы, в которых можно пренебречь взаимодействием частиц растворителя и растворенного вещества между собой. Свойства таких растворов зависят только от концентрации растворенного вещества, но не зависят от его природы.

Дата добавления: 2014-10-23