Тема 1. 2

ФАЗОВА РІВНОВАГА ТА ВЧЕННЯ ПРО РОЗЧИНИ

ПЛАН:

1. Загальна характеристика розчинів.
2. Розчини газів в рідинах. Закон Генрі.
3. Розчинність твердих речовин в рідинах.
4. Дифузія і осмос в розчинах. Закон Вант-Гоффа.
5. Тиск пари над розчинами. Закон Рауля.
6. Температура кристалізації і кипіння розчинів.
7. Фазові переходи. Фазова рівновага.

ВИВЧИВШИ ТЕМУ, ВИ ПОВИННІ:

Знати:

P визначення “розчини”, “фази”, “фазовий перехід”;

P правило фаз Гіббса;

P однокомпонентні системи, діаграма стану води;

P види розчинів;

P способи виразу концентрації розчинів;

P явища дифузії і осмосу, закон Вант-Гоффа;

P правила приготування розчинів. Закон Генрі;

P особливості поведінки розчинів;

P тиск насиченої пари над розчином;

P температури кристалізації та кипіння розчинів;

P закон Рауля.

Вміти:

P розраховувати число ступенів свободи за правилом Гіббса;

P визначати розчинність газів за законом Генрі;

P розрахувати потрібні величини за законом Рауля;

P визначати DТзам. та DТкип.в залежності від концентрації розчину;

P працювати з діаграмою стану води.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОЗЧИНІВ

Розчини – одна з найважливіших фізико-хімічних систем. Розробка теорії розчинів відіграла важливу роль у розвитку фізичної хімії. Ще М.В.Ломоносов звернув увагу на важливість розчинів для розвитку хімічних наук. Важливість розчинів визначається перш за все їх поширеністю. Переважна більшість біологічних процесів відбувається в розчинах.

Розчинами називають багатокомпонентні гомогенні системи, в яких одна або кілька речовин розподілені у вигляді молекул, атомів або іонів в середовищі іншої речовини – розчинника.

До розчинів відносяться суміші газів, розчини різних речовин в рідинах та тверді розчини. Найбільш розповсюджені рідкі розчини. Прикла­дами рідких розчинів є розчини солей, спирту, кислот у воді; твердих - сплави. Газоподібним є повітря.

У рідких розчинах один із компонентів називають розчиненою речовиною, другий - розчинником.

Розчинник – це рідкий компонент розчину, який береться у надлишку порівняно з іншими компонентами.

У сучасній теорії розчинів визначається важливість як фізичних, так і хімічних сил між молекулами (атомами, іонами) у розчині.

Гомогенність розчинів обумовлена тим, що під час їх утво­рення, внаслідок взаємодії з розчинником, розчинена речовина подрібнюється до молекул або йонів, тобто розміри часток розчиненої речовини, розподілених між молекулами розчинника, не перевищують 10^-9м. Такі розчини називають істинними.

Розчини, в яких частки розчиненої речовини мають розмір від і10^-9м до 10^{- 7}м є колоїдними, а більше 10^-7м - грубодисперсними.

Істинні розчини прозорі, легко проходять через фільтр.

Розчин утворюється зі складових частин (компонентів) самодовільно, тому його утворення при сталих Р та Т пов’язане зі зменшенням ізобарного потенціалу (вільної енергії) системи. Ізобарний потенціал залежить не тільки від температури і тиску, а й від складу розчину, тобто від кількості компонента в розчині. Це твердження справджується також для інших термодинамічних потенціалів.

Найважливішою характеристикою розчину є його склад або концентрація компонентів.

Концентрація розчину – це кількість розчиненої речовини, що міститься в певній кількості розчинника або розчину.

Розчини з високою концентрацією розчиненої речовини називаються концентрованими, з низькою – розбавленими.

Кількісний склад розчинів в фізичній хімії часто виражають через молярну і моляльну концентрацію, молярні і масові частки.

Молярна концентрація – це відношення кількості розчиненої речовини до об’єму розчину.

В СІ кількість речовини вимірюють в молях, тому одиницею молярної концентрації в СІ є моль/м³ або моль/л.

С = n/V або С = m/(М∙V)

де п - кількість речовини в молях;

V— об'єм розчину;

т - маса розчиненої речовини;

М- молярна маса.

Наведемо приклади назв розчинів різної молярної концентрації, моль/л:

1,000 (1М) – молярний;

2,000 (2М) – двомолярний;

0,100 (0,1М) – децимолярний;

0,200 (0,2М) – дводецимолярний;

0,030 (0,03М) – трисантимолярний;

0,004 (0,004М) – чотиримілімолярний.

Моляльна концентрація – це відношення кількості розчиненої речовини до маси розчинника.

Її вимірюють в моль/кг. Числове значення моляльної концентрації, позначають С_m:

С_m = (n ∙ 1000) / m (розчинника)

де

п - кількість молів розчиненої речовини;

т - маса розчинника.

ð Еквівалентна концентрація (або нормальність) Сн - визначається числом молярних мас еквівалентів розчиненої речовини в 1л розчину:

С_н = m / E_m ∙ V,

де т - маса розчиненої речовини;

E_m - еквівалентна маса;

V - об'єм розчину.

Еквівалентну концентрацію за останніми рекомендаціями називають молярною концентрацією еквіваленту.

Молярна частка – це відношення числа молей одного з компонентів розчину до загального числа молей всіх компонентів. Її виражають в долях одиниці або у відсотках (%). Молярна частка N₁ одного компоненту розчину визначається по формулі:

N₁ =

Де n₁ – число молів цього компонента в розчині;

n_2,n_3,….n_к - число молів інших компонентів.

Сума мольних часток всіх компонентів розчину дорівнює 1 або 100%.

N_{1 +} N₂ +....N_к = 1

Масова частка – це відношення маси розчиненої речовини до маси розчину. Її також виражають в частках одиниці або у відсотках (%).

2. РОЗЧИНИ ГАЗІВ В РІДИНАХ. ЗАКОН ГЕНРІ

Розчинність газів в рідинах значною мірою залежить від природи газу і розчинника, від Т і Р. Якщо між газом і розчинником немає хімічної взаємодії, то концентрація газу в розчині невелика.

Наприклад, за нормальних умов в 1 л води розчиняється 0,002г Н₂. Також мало розчиняється у воді N₂. Розчинність О₂ у воді приблизно в 2 рази вища, ніж N₂, тому повітря, розчинене у воді, більше багате на О₂, ніж повітря атмосфери.

Деякі гази, наприклад, аміак, взаємодіють з водою і розчинність їх у воді велика (8,75г NH₃ в 1л Н₂О).

Залежність розчинності газів від тиску визначається законом Генрі (англійський хімік). Згідно цього закону:

Розчинність газу при постійній температурі прямо пропорційна тиску газу над розчином:

С = К ∙ р;

де С – концентрація газу в розчині;

К - коефіцієнт пропорційності, що залежить від природи рідини і газу;

р - тиск газу над розчином.

Закон Генрі справджується тільки для розбавлених розчинів в умовах низьких тисків. Для суміші газів розчинність кожного з них пропорційна його парціальному тиску.

Гази, що вступають у взаємодію з розчинником (напр.NH₃, SO₂, НСl), закону Генрі не підкоряються. Їх розчинність також збільшується з підвищенням Р, але по більш складнішому закону.

Пониження тиску над розчином веде до зменшення розчинності газів і виділення його з рідини у вигляді пухирців. Прикладом можуть служити різні газовані напої, в яких при великому Р розчиняють СО₂. При відкриванні пляшки з такою водою тиск над рідиною різко знижується і розчинений СО₂ інтенсивно виділяється.

Зміною розчинності газів при різкому зниженні тиску пояснюється так звана кесонна хвороба. На великих глибинах водолаз дихає повітрям, що знаходиться під великим тиском. При таких тисках розчинність газів у крові відповідно до закону Генрі збільшується. На глибині 40м нижче рівня моря загальний тиск становить 600кПа і розчинність азоту в плазмі крові в 9 разів більше ніж на поверхні моря. При швидкому підніманні водолаза, що супроводжується різким зменшенням тиску, гази, розчинені в крові, починають бурно виділятися. Пухирці газу закупорюють судини, що й є причиною кесонної хвороби і може привести до тяжких наслідків.

Розчинність газів майже завжди протікає з виділенням теплоти.

З підвищенням температури рівновага зміщується в сторону ендотермічного процесу і розчинність газів зменшується (рис.4); з пониженням температури розчинність газів збільшується. Тривалим кип’ятінням можна майже повністю видалити розчинені гази з рідини, а насичення рідин газом доцільніше проводити при низьких температурах.

Рис.4. Залежність розчинності газів у воді від температури

Таблиця 1.5

Розчинність газів у воді при різних температурах, м³ газу/м³ води

Температура, К	Г а з
О2	Н2	СО2	Н2S	SO2
	0,049	0,022	1,71	4,76	79,8
	0,031	0,018	0,88	2,58	39,4
	0,021	0,017	0,53	1,66	18,8
	0,010	0,016	0,36	1,19	10,6

Розчинність газів зменшується при наявності в розчині третього компонента. Так, в розчинах електролітів гази розчиняються значно гірше, ніж в чистій воді. Так, наприклад, при 20^оС і 101,3 кПа в 1л води розчиняється 6,7г Сl₂ , а в 26% розчині NaCl розчиняється 0,9г Сl₂. Тому при зберіганні Сl₂ над рідиною заміняють воду на розчин NaCl. Зменшують розчинність газів у воді й різні неелектроліти.

3. РОЗЧИННІСТЬ ТВЕРДИХ РЕЧОВИН В РІДИНАХ

Процес розчинення твердих речовин у рідинах складається із руйнування кристалічної гратки і дифузії речовин в об’єм. При цьому під впливом розчинника, від поверхні твердих речовин поступово відриваються окремі молекули або йони і рівномірно розподіляються по всьому об’єму розчину.

Розчинність твердих речовин в рідинах визначається природою розчинника і розчиненої речовини, а також температурою. При розчиненні твердої речовини в рідині досягається концентрація, при якій тверда речовина перестає розчинятися і встановлюється рівновага між розчином і твердою речовиною. Такий розчин називають насиченим.

Концентрація насиченого розчину будь-якої речовини при даній температурі постійна і характеризує розчинність цієї речовини.

При певних умовах можна одержати розчини, концентрація яких вища концентрації насиченого розчину. Такі розчини називаються перенасиченими.

Розчин називається перенасиченим, коли в ньому міститься значно більше розчиненої речовини, ніж її потрібно для насичення при даній температурі.

Вони досить нестійкі і при перемішуванні, струшуванні або попаданні них твердих частинок (пил тощо) розділяються на осад розчиненої речовини і насичений розчин. У спокійному стані вони можуть роками залишатися без змін.

Швидкість розчинення твердої речовини залежить від розміру частинок – великі шматки твердої речовини слід подрібнювати в ступці. Проте гігроскопічні речовини не подрібнюють перед розчиненням. Якщо порошок при висипанні у воду спливає і не змочується, то його слід спочатку змочити етиловим спиртом, а потім додавати у воду. Смолисті речовини перед розчиненням слід розрізати на невеликі шматочки і вводити до розчинника поступово.

Розчинення твердих речовин супроводжується поглинанням або виділенням теплоти, яку відносять до 1молю розчиненої речовини. Різниця в знаках теплового ефекту розчинення пояснюється тим, що при розчиненні твердих речовин в рідині одночасно йдуть два процеси – взаємодія молекул розчинника з молекулами або іонами твердої речовини (сольватація) або при розчиненні у воді (гідратація) та руйнування твердої речовини з розподіленням її по всьому об’єму розчину. При сольватації енергія виділяється (ΔН₁< 0), на руйнування твердої речовини енергія витрачається (ΔН₂ > 0). Сумарний тепловий ефект залежить від абсолютних значень ΔН₁ та ΔН₂ і може бути як позитивний, так і від’ємним.

Рис.5. Схема розчинення кристалів солі NaCl у воді

Сольватацію можна розглядати на прикладі розчинення кристалів солі NaCl у воді (рис.5). Диполі води орієнтуються навкруги від’ємних іонів хлору своїм позитивним полюсом, а навкруги позитивних іонів натрію – від’ємним, тобто відбувається гідратація іонів. В результаті цього процесу зв’язок між поверхнево розташованими іонами в кристалі хлористого натрію послаблюється. Іони натрію і хлору відриваються від кристалу, а молекули води утворюють навкруги них так звану гідратну оболонку.

Процес розчинення у воді NaCl практично не має теплового ефекту, бо енергія гідратації майже дорівнює енергії руйнування кристалу.

При розчиненні у воді КСl з досить стійкою кристалічною граткою, іони К⁺ і Сl^- гідратуються і енергія ΔН_1, що виділяється при цьому, компенсує більшу частину енергії ΔН₂, необхідної для руйнування кристалічної гратки. Отже, за абсолютним значенням ΔН₂ >ΔН₁ і при розчиненні КСl у воді теплота буде поглинатися з оточуючого середовища, тобто цей процес ендотермічний.

Розчинність кристалогідрату CuCl₂∙2H₂O супроводжується виділенням теплоти, тобто процес екзотермічний, бо енергія гідратації значно перевищує енергію руйнування твердого тіла.

Знак теплового ефекту визначає і вплив температури на розчинність. Процес розчинення більшості твердих речовин ендотермічний і з підвищенням температури розчинність збільшується.

Для деяких речовин з підвищенням температури розчинність зменшується, оскільки процес їх розчинення екзотермічний.

Розчинність твердих речовин завжди обмежена. Але абсолютно нерозчинних речовин в природі не існує, хоча і є речовини, практично не розчинні у воді. До них можна віднести BaSO₄, CaCO₃, CuS, AgCl та інші.

Як і будь-який фізико-хімічний процес, процес розчинення підкоряється певним закономірностям. Відомо, що швидкість хімічних процесів залежить від температури. Аналогічно, швидкість розчинення речовин при підвищенні температури збільшується, отже, збільшується і розчинність.

На швидкість розчинення впливають дифузія та ступінь подрібнення речовини. Швидкість переходу речовини з кристала в розчин, тобто швидкість гідратації, на два порядки більша, ніж швидкість дифузії гідратованої молекули (чи іона) у глибину розчину. Тому для того, щоб збільшити швидкість розчинення, розчин необхідно перемішувати. При цьому збільшується швидкість дифузії гідратованих частинок у розчин. Оскільки процес розчинення відбувається лише на поверхні розподілу фаз, то чим більшою є ступінь подрібнення речовин, тим більшою є його питома поверхня і, отже, вищою є швидкість розчинення.

4. ДИФУЗІЯ І ОСМОС В РОЗЧИНАХ. ЗАКОН ВАНТ-ГОФФА

Якщо в стакан із зафарбованим розчином якої-небудь речовини обережно влити розчинник, то на початку між шарами розчину і розчинника буде спостерігатися чітка межа розподілу.

Поступово межа розділу розмивається і через деякий час весь об'єм рідини набуває рівномірного зафарбування. Це відбувається в наслідок дифузії.

Дифузія - самовільний переніс рідини з області з більшою концентрацією в область з меншою концентрацією, або іншими словами це самовільний процес вирівнювання концентрацій.

В наведеному прикладі розчинена речовина з нижнього шару дифундує в шар чистого розчинника, а молекули розчинника переходять в шар розчину, де концентрація їх менше. Цей процес двосторонньої дифузії закінчиться вирівнюванням концентрації в усьому об'ємі.

Швидкість дифузії вимірюється кількістю речовини, що переноситься за одиницю часу через одиницю площі.

Рис. 6. Процес дифузії через мембрану

Вона пропорційна різниці концентрації в двох шарах рідини і температурі. Чим більша різниця концентрації і чим вища температура, тим швидкість дифузії більша. По мірі вирівнювання концентрації швидкість дифузії зменшується.

Дифузія може йти в тому випадку, якщо між шаром розчину і шаром розчинника помістити напівпроникну перегородку - мембрану. Напівпроникними перегородками для водних розчинів можуть бути природні плівки, стінки клітин, а також плівки, одержані штучним шляхом (целофан, пергамент). Через ці плівки можуть проходити молекули розчинника і не проходять молекули розчиненої речовини. Такі плівки називаються напівпроникними мембранами.

Дифузія відіграє значну роль в життєдіяльності організмів і технологічних процесах. Так, процес переміщення різних поживних речовин і продуктів обміну в живих організмах пов’язаний з дифузією. В технології харчування з дифузією мають справу при вимочуванні риби, заварюванні чаю, кави. Такі процеси як варка, пасерування, припускання також є практичним застосуванням дифузії.

Дата добавления: 2014-11-29