Основные понятия и определения. 24.1 Основные понятия и определения

ЛЕКЦИЯ 24. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАСТВОРОВ.

24.1 Основные понятия и определения. Способы выражения состава растворов.

24.2. Теория растворения вещества.

24.3. Термодинамика растворения.

В металлургии редко приходится иметь дело с чистыми веществами. Даже металлы, получаемые в особо чистом состоянии, например кремний или германий для полупроводниковых устройств, содержат примеси и по существу являются растворами. Вообще, как правило, участвующие в металлургических превращениях вещества и в твердом и в жидком состояниях являются растворами.

Приведем некоторые примеры. Расплавленные чугун или сталь представляют собой растворы углерода, кремния и других элементов в жидком железе. Сталь в твердом состоянии представляет собой раствор углерода в железе, в котором в виде отдельных более или менее крупных включений присутствуют химические соединения - карбиды, нитриды, оксиды и т.п. Нержавеющие стали - это твердые растворы на основе железа, хрома и никеля. Вообще металлические сплавы либо являются твердыми растворами, либо содержат их наряду с другими составляющими, например химическими соединениями.

Жидкие шлаки в доменных и сталеплавильных печах являются растворами оксидов, содержащими и другие соединения - силикаты, фосфаты, сульфиды. Поэтому практически все металлургические процессы, начиная от выплавки металла из руд и его рафинирования от вредных примесей и кончая химической или химико-термической обработкой готовой стали, происходят с участием жидких или твердых растворов. Особое место занимают водные растворы, без которых была бы невозможна органическая жизнь. В металлургии водные растворы используют для извлечения металлов из руд, при получении металлов электролизом и при производстве гальванических покрытий.

Свойства веществ в растворах существенно отличаются от их свойств в чистом состоянии, что оказывает иногда решающее влияние на направление реакций. Поэтому теория растворов занимает одно из наиболее важных мест при рассмотрении металлургических процессов и свойств металлов и сплавов в твердом состоянии.

Следуя правилу фаз, раствором называют гомогенную часть многокомпонентной системы, состав которой может непрерывно и произвольно изменяться. Относительное содержание компонентов в растворе может быть любым и ограничивается лишь их взаимной растворимостью.

Один из компонентов раствора называют растворителем, а остальные - растворенными веществами. Обычно растворителем принято считать жидкость, если раствор получен смешением последней с газами или твердыми телами. Но если компоненты раствора перед смешением были в одинаковых агрегатных состояниях, то растворителем считается тот компонент, количество которого в системе преобладает. Например, воздух считается раствором кислорода, гелия, углекислого газа и др. в азоте, т.е. азот – растворитель, а все остальные компоненты - растворенные вещества. Система, состоящая из аммиака, поваренной соли и воды, считается раствором первых в воде.

Растворы в природе могут быть твердыми, жидкими и газообразными. Наиболее распростра-

нены жидкие и газообразные растворы. Остановимся на свойствах жидких растворов, способных к испарению.

24.1.2. СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ СОСТАВА РАСТВОРО В.

Свойства растворов обычно рассматривают в их зависимости от давления, температуры и состава системы. Состав - важнейшая характеристика раствора - может быть выражен в относительных или специальных единицах. К первым относятся доли: массовые (масс), объемные (об.) и молярные (мол.). С ними мы уже ознакомились при изучении газовых смесей (см. выражения 1.17- 1.19.)

К специальным единицам состава растворов относятся молярность, моляльность, нормальность и т.п.

Молярность М - единица молярной концентрации (С или С_м) раствора; определяется числом моль вещества, растворенных в 1 л (1 10 ^-3 м³) раствора (сравните с газами, см. вопрос 3.3).

1М = 1 моль/л = 1 10 ³ моль/м³.

Отсюда, согласно(1.20), следует

С_М =

V_р-ра л (5.1)

Моляльность Мл - единица моляльной концентрации (m или С_т) раствора; определяется числом моль вещества, растворенных в 1 кг растворителя

1 Мл = 1 моль/кг

Если в g кт растворителя растворено а кг вещества i, молярная масса которого М_i. кг/моль, то моляльная концентрация раствора рассчитывается по формуле -

Cm = (5.2)

Если масса вещества выражена в граммах, а молярная масса - в г/моль, то формула будет иметь, естественно, такое же выражение. Если же и масса растворителя будет выражена в граммах, то формула примет вид –

Cm = (5.2а)

Нормальность Н - единица эквивалентной концентрации (или эквивалентной молярной концентрации) N (или C_N) раствора; определяется числом моль эквивалентов (п_ЭКВ) вещества; растворенных в 1л (1۰10^{-3 м3}) раствора -

1н = 1 моль экв./л

Если в V л раствора растворено п _ЭКВ, вещества, то эквивалентная концентрация рассчитывается по формуле -

C_N = п _i;экв / V р-ра (5.3)

Количества вещества эквивалента определяется по той же формуле, что и обычные количества вещества, но с использованием молярной массы эквивалента М_ЭКВ. или

n_{ЭКВ, =} m/М_ЭКВ, или n (1/z(x)) = m(x) / M (1/z(x))

где z - число эквивалентности - переменная величина, зависящая от состава вещества или от конкретной химической реакции, в которую вступает данное вещество X. Число эквивалентности Z связано с фактором эквивалентности вещества X соотношением:

f_ЭКВ. (Х)= 1/z

Фактор эквивалентности f _ЭКВ, (X) - число, показывающее, какая доля реальной частицы вещества X эквивалентна одному иону водорода в кислотно-основной реакции или одному электрону в окислительно-восстановительной реакции (следует помнить, что эквивалент - это условная, или реальная, частица вещества X (часть молекулы, иона и др.), которая в кислотно-основной реакции равноценна по химическому действию одному иону водорода или в окислительно-восстановительной реакции одному электрону.

Молярная масса эквивалента вещества X - масса вещества количеством один моль эквивалентов, равная произведению фактора эквивалентности на молярную массу вещества:

М (f _экв (х) X) = f _экв (х)۰М (X) или М (=М (X)

Число эквивалентности для атома элемента А в соединении соответствует его степени окисления (с.о.)

Z = | с.о.!, тогда f_ЭКВ. = 1/с.о.

Число эквивалентности кислоты соответствует ее основности в

данной реакции, т.е. числу ионов водорода, замещенных на ионы металла

Число эквивалентности основания соответствует его кислотности в данной реакции, т.е. числу гидроксид-ионов, замещенных на ионы кислотных остатков; тогда Число эквивалентности вещества X, присутствующего в окислительно- восстановительной реакции, соответствует числу отданных или принятых им электронов.

Z = пё, тогда f_экв (х) =.

Пользуясь растворами, концентрация которых выражена нормальностью, легко заранее рассчитать, в каких объемных отношениях они должны быть смешаны, чтобы растворенные вещества прореагировали без остатка. Пусть V₁ л раствора вещества 1 с нормальностью N₁ реагирует с V₂ л раствора вещества 2 с нормальностью N₂. Это означает, что в реакцию вступило N₁V₁ моль эквивалентов вещества 1 и N₂ V₂ моль эквивалентов вещества 2. Но вещества реагируют в эквивалентных количествах, следовательно

N₁V₁ = N₂ V₂ или V₁: V₂ = N₂: N₁

Таким образом, объемы растворов реагирующих веществ обратно пропорциональны их нормальностям.

На основании этой зависимости можно не только вычислить требуемые для проведения реакций объемы растворов, но и обратно, по объемам затраченных на реакцию растворов находить их концентрации.

Единицы состава раствора, выраженные в мол., масс, долях и моляльностях, не зависят от температуры системы. Эта особенность позволяет использовать их в экспериментах с изменяющейся температурой.

Для изучения отдельных свойств растворов в изолированном, «чистом» виде, вводится понятие идеальный раствор, Идеальный раствор – это такая гомогенная многокомпонентная система, в которой силы взаимодействия между любыми частицами одинаковы.

Этому условию соответствуют идеальные газы, смеси изотопов одного и того же элемента и смеси оптических изомеров органических соединений. Близки к идеальным растворам смеси углеводородов одного и того же гомологического ряда и сильно разбавленные растворы.

Дата добавления: 2014-01-04