Тема 1. Растворы. Состав растворов

В основном реакции в природе происходят в растворах, которые имеют различный состав и структуру. Растворы являются особым видом смесей химических веществ. Основные признаки растворов – это однородность и устойчивость во времени.

Истинные растворы – гомогенные, термодинамические, устойчивые системы, которые состоят из растворённого вещества и растворителя, а также продуктов их взаимодействия. Раствор всегда состоит из 2-х и более компонентов.

Растворитель – это компонент, фазовое состояние которого не изменяется при растворении. Основной растворитель – это вода.

По отношению к воде различают гидрофильные и гидрофобные вещества.

По агрегатному состоянию растворы классифицируются на:

· газообразные;

· жидкие;

· твёрдые.

По качественному составу растворы подразделяются на:

· концентрированные, разбавленные;

· насыщенные (равновесные, термодинамические, малоустойчивые системы, характеризующиеся максимальным (предельным) растворением вещества без образования осадка);

· перенасыщенные (растворённое вещество выпадает в осадок);

· ненасыщенные (вещество ещё может раствориться).

Растворимость – это способность веществ растворяться друг в друге, количественно характеризуется коэффициентом растворимости (к или р) – это масса растворённого вещества, приходящаяся на 100 или 1000г растворителя, в насыщенном растворе – при определённой температуре.

Растворение начинается с того, что молекулы растворителя «прокладывают себе путь» между молекулами растворяемого вещества. Это может происходить только в том случае, если силы притяжения между молекулами растворителя, с одной стороны, растворителя и растворяемого вещества – с другой, примерно одинаковы. Отсюда следует правило растворимости: подобное растворяется в подобном (имеется в виду «подобное» по полярности). Вода и бензин не смешиваются, поскольку полярные молекулы воды сильно притягиваются друг к другу, и молекулы углеводорода не могут проникнуть между ними. В то же время бензин легко смешивается с тетрахлоридом углерода, причем и тот, и другой служат хорошими растворителями для многих нерастворимых в воде неполярных веществ, таких, как жиры или парафины. Вода, в свою очередь, растворяет большинство ионных веществ, например, поваренную соль или питьевую соду (гидрокарбонат натрия NaHCO₃), а также полярные неионные соединения, такие, как спирт, сахар (молекула которого содержит множество ОН-групп), крахмал и витамин С. Ни одно из этих веществ не растворяется ни в бензине, ни в других углеводородах.

При растворении ионных соединений в воде или других полярных растворителях ионы «вытягиваются» из кристаллической решетки силами притяжения молекул растворителя, при этом они сольватируются, т.е. более или менее прочно связываются с молекулами растворителя (в уравнении это не отражено), так что, например, ионы натрия находятся в виде Na⁺(H₂O) _x. Хорошо растворимый в воде газ хлороводород тоже диссоциирует на ионы водорода и хлорид-ионы.

Молекулы воды притягивают ионы водорода, и образуются ионы гидроксония Н₃О⁺. Менее полярные соединения (спирты или сахара и т.п.) в воде почти не диссоциируют.

Иногда вещество начинает растворяться в результате химической реакции, которая изменяет его свойства. Так, мрамор (или известняк СаСО₃) в чистой воде практически нерастворим, но растворяется в воде подкисленной.

Молекулы некоторых твердых веществ настолько прочно связаны друг с другом, что эти вещества не растворяются ни в одном растворителе, за исключением тех, с которыми взаимодействуют химически. В качестве примеров можно привести алмаз, графит, стекло и песок.

Влияние температуры и давления. Растворимость жидкостей и твердых веществ обычно увеличивается при повышении температуры, поскольку при этом возрастает энергия движения (кинетическая энергия) молекул и уменьшается их взаимное притяжение. Изменение давления мало влияет на растворимость, так как объем при растворении меняется незначительно. Гораздо больше давление влияет на растворимость газов. Газ лучше растворяется при увеличении давления, под действием которого часть его молекул переходит в раствор. При повышении температуры растворимость газов снижается – кинетическая энергия молекул возрастает, они быстрее движутся и легче «вырываются» из растворителя.

Свойства растворов определяются качественным и количественным составом раствора. Содержание компонентов в растворе может непрерывно изменяться в некоторых пределах. Количественной характеристикой растворов является концентрация.

Концентрация – это количество растворенного вещества, содержащееся в единице массы или объеме раствора. Ее можно выразить в таких единицах, как, например, г/л (число граммов вещества в литре раствора).

Массовая доля вещества (ω) – отношение массы данного ве­щества m(х) в растворе к массе всего раствора m:

ω(х) = m(х)/ m(р-ра).

Массовая доля – безразмерная величина. Ее выражают в долях от единицы или в процентах.

Объёмная доля вещества (φ) выражаетсяв долях единицы или % и численно равна отношению объёма жидкого или газообразного вещества к общему объёму раствора или смеси.

φ(х) = V(x)/V(р-ра).

Иногда концентрацию измеряют в процентах. При этом необходимо указывать, какие проценты имеются в виду: весовые или объемные. Например, 10%-ный раствор спирта в воде – это раствор, содержащий 10 объемов спирта и 90 объемов воды (объемные проценты 10º), а 10%-ный раствор хлорида натрия в воде – раствор, в котором на 10 массовых единиц вещества приходится 90 массовых единиц воды (массовые проценты).

Молярная доля растворённого вещества (χ) численно равна отношению химического количества растворённого вещества к суммарному числу моль всех компонентов раствора или смеси.

χ(х) = n(x)/Σn_i.

Молярная концентрация С(х) показывает химическое количество рас­творенного вещества в молях, которое содержится в 1л раство­ра, и выражается в моль/л:

С(х) = n(х)/V(р-ра).

Так, децимолярный (сокращенно 0,1 М) раствор хлорида натрия содержит 0,1 моль (или 5,8443 г) NaCl в 1 л раствора.

Моляльность раствора (b) – это число молей растворенного вещества в 1000 г растворителя. Так, 0,1-моляльный раствор хлорида натрия в воде содержит 0,1 моль (или 5,8443 г) NaCl в 1000 г Н₂О. Эта единица используется реже, чем молярность.

b(x) = n(x)/m(р-ля).

Молярная концентрация эквивалента С(1/z(х)) (нормальность) показывает химическое количество эквивалента рас­творенного вещества в молях, которое содержится в 1л раство­ра, и выражается в моль/л:

С(1/z(х)) = n(1/z(х))/V(р-ра).

Для систем, в которые входят кислоты, основания и соли, эквивалент – это количество вещества, которое расходуется при взаимодействии с 1 моль ионов водорода Н⁺.

Варианты условий задач

№ варианта	вещество	Типы концентраций V=1дм^3	Плотность раствора, ρ г/см^3	Найти объём заданного раствора, необходимого для приготовле-ния
ω(х) %	χ(х)	b(x)	С(х) моль/дм^3	С(1/z(х)), моль/дм^3
	Na2CО3						1,125	100 г ω = 5%
	HCl				12,5		1,190	500мл 1М
	H3PO4					19,2	1,315	200мл 0,5М
	NaOH				18,0		1,505	200г ω=5%
	H2SO4						1,303	1л 2М
	КОН						1,538	400мл 1М
	HNO3					12,2	1,350	500г ω=10%
	HclO4				8,1		1,475	2л 0,1М
	HCl					5,2	1,085	1500г ω=2%
	H2SO4				7,2		1,400	5л 0,5М
	H3PO4						1,540	500мл 0,1М
	HNO3						1,180	2л 1М
	Na2CО3				0,7		1,070	200г ω=3%
	HclO4						1,580	100мл 0,2М
	NaOH						1,430	500мл 1,5М
	HNO3				10,2		1,305	800г ω=5%
	H2SO4					10,9	1,310	500мл 0,5М
	КОН						1,430	1,5л 2М
	H3PO4				2,8		1,140	500г ω =10%
	HCl						1,149	0,5л 2М

Методика выполнения вариантов заданий

рассчитать все типы концентраций для 20%-ного раствора H₂SO₄ с плотностью 1,140 г/см³.

Дано:

ω =20%; ρ =1,140 г/см³; V=1л;

М(H₂SO₄) = 98г/моль; М(1/2 H₂SO₄) = 49 г/моль.

Дата добавления: 2014-11-29