Способи вираження складу розчинів

Склад розчину можна виражати якісно й кількісно. Розчини з відносно низьким вмістом розчиненої речовини називають розведе­ними, а з відносно високим — концентрованими. Якісна оцінка досить умовна, бо для розчинів різних речовин ці поняття мають свої обмеження. Кількісний склад розчину визначається концент­рацією.

Концентрація — це безрозмірна або розмірна величина, яка виражає співвідношення компонентів у системі. Для системи, що складається з розчинника та розчиненої речовини, концентрацією (не розчину, а розчиненої речовини) називають кількість розчине­ної речовини, що міститься в певній кількості розчину або розчин­ника. Найчастіше застосовують такі способи вираження концент­рації:

1. Молярна частка — відношення кількості даного компонента до загальної кількості всіх компонентів розчину:

де n_i — кількість i-го компонента (у молях).

Аналогічно визначають масову та об'ємну частки.

Масова (об'ємна) частка — відношення маси (об'єму) розчине­ної речовини до загальної маси (об'єму) розчину:

де т₁ і m₂ — маси, а V₁ i V₂ — об'єми розчиненої речовини та розчинника.

2. Молярність розчину — величина, що чисельно дорівнює молярній концентрації розчиненої речовини. Молярна концентра­ція — це відношення кількості розчиненої речовини до об'єму розчину V (у літрах):

Розчини однакової молярності (еквімолярні) реагують між собою в об'ємах, пропорційних стехіометричним коефіцієнтам у рівнянні реакції.

4. Моляльність розчину (моляльна концентрація) визнача­ється відношенням кількості розчиненої речовини до маси розчин­ника (а не розчину!) в кілограмах:

де m₂/1000 — маса розчинника в кілограмах. Моляльність розчину, на відміну від його молярності, не залежить від температури.

4. Нормальність розчину — величина, що чисельно дорівнює молярній концентрації еквівалентів. Виражається відношенням еквівалентної кількості розчиненої речовини до об'єму розчину в літрах:

де Е_т — молярна маса еквівалента розчиненої речовини.

Розчини однакової нормальності реагують у однакових об'ємах. У разі неоднакових нормальностей розчинів останні взаємодіють в об'ємах, обернено пропорційних їхнім нормальностям:

Нормальність і молярність розчинів збігаються для однокис-лотних основ та одноосновних кислот.

Молярну концентрацію еквівалентів розчиненої речовини можна уявити як відношення молярної концентрації до фактора еквівалентності f_е цієї речовини в конкретній реакції С_е = С_м/f_е.

5. Титр — відношення маси розчиненої речовини в грамах до об'єму розчину в мілілітрах:

Розчин кожної речовини має певну густину р (г/мл, або кг/л), яку враховують при переході від масових концентрацій до об'єм­них, і навпаки.

Розчинність речовин

Розчинністю речовини називають її здатність розчинятися у тому чи іншому розчиннику. Мірою розчинності речовини за пев­них умов є концентрація її у насиченому розчині. Тому чисельно розчинність можна виразити тими ж способами, що й концентра­цію. Часто розчинність виражають також числом одиниць маси речовини у 100 одиницях маси розчинника в насиченому розчині і називають його коефіцієнтом розчинності δ.

Насичені розчини перебувають у стані рівноваги з надлишком речовини, що розчиняється (осадом). У ненасичених розчинах не досягнута межа насичення для певних зовнішніх умов. Пересичені розчини містять більше розчиненої речовини, ніж це зумовлено межею розчинення. Термодинамічно — це метастабільні (нестійкі) системи.

Розчинність залежить від природи розчинюваної речовини та розчинника, їх концентрації, температури. Для газів вона суттєво залежить ще й від тиску. Причини різної розчинності речовин на сьогодні не виявлені, хоч їх пояснюють характером взаємодії частинок розчинника та розчиненої речовини. Давно відоме прави­ло, згідно з яким подібне розчиняється у подібному. Наприклад, речовини з іонним (солі, луги) або полярним (спирти, альдегіди) типом зв'язку краще розчиняються у полярних розчинниках (вода, спирти), а неполярні речовини — в неполярних розчинниках (бензол, сірковуглець).

Для передбачення розчинності неелектролітів використовують наближену теорію Гільдебрандта, згідно з якою взаємна роз­чинність речовин зростає зі зменшенням різниці їх параметрів розчинності δ:

де Е і V_m — відповідно питома енергія випаровування та молярний об'єм чистого компонента.

Для електролітів відомі лише деякі емпіричні правила. Напри­клад, розчинність багатьох електролітів зростає пропорційно кубу діелектричної проникності розчинника; утворення кристалосоль-ватів звичайно збільшує розчинність солей.

Розчинність різних твердих речовин у тому ж розчиннику змінюється в широких межах. Оскільки розчинення більшості твердих речовин супроводжується поглинанням теплоти, то за принципом Ле Шательє підвищення температури повинно зумов­лювати збільшення розчинності. Якщо ж утворення розчину суп­роводжується виділенням енергії, то розчинність зі зростанням температури знижується (при розчиненні у воді лугів, багатьох солей Літію, Маг­нію, Алюмінію). У деяких випадках зниження розчин­ності зумовлене зміною ха­рактеру твердої фази, що насичує розчин. Залежність між розчинністю та темпе­ратурою зображають гра­фічно у вигляді кривих роз­чинності (рис. 3.1.). На основі кривих розчинності можна зробити висновок щодо доцільності очищення речовин від домішок пере­кристалізацією. Розчинність твердих речовин практично не залежить від тиску.

При взаємному розчи­ненні рідин спостерігаються такі випадки: необмежена розчинність (спирт—вода), практична нерозчинність (бензин—вода), обмежена розчинність (ефір—вода). Загалом з підвищенням тем­ператури взаємна розчинність

рідин збільшується доти, доки не буде досягнуто температури (критична температура розчинення К), за якої обмежена роз­чинність переходить у необ­межену (рис. 3.2)

Конода (ізотермічна лінія, що сполу­чає співіснуючі фази) αβ ілю­струє концентрацію речовин у насичених розчинах:α— аніліну у воді, β— води в аніліні. Правило важеля описує співвідношення мас рідин, що не розчиняються, в суміші певного складу:

Якщо речовина розчиня­ється одночасно у двох розчинниках, що перебувають у контакті (рис. 3.3), то, за законом розподілу (Нернст, 1890), при сталій температурі, незалежно від кількості розчиненої речовини, співвідношення концентрацій цієї речовини між двома розчинниками, що не змішуються, залишається сталим:

де С₁ і С₂ — концентрації речовини Д в першому А та другому В розчинниках; К_р— коефіцієнт роз­поділу.

Закон розподілу лежить в основі концентру­вання та очищення речовин методом екстракції. Взаємна розчинність рідин мало залежить від тиску й помітно зростає лише при дуже високих тисках.

На розчинність газів у воді значною мірою впливає температура. Випаровування — процес ендотермічний, а конденсація — екзотермічний, тому з підвищенням температури розчинність газів у рідинах зменшується. Однак розчинення газів в органічних рідинах часто супроводжується поглинанням теплоти, тому у цьому випадку з підвищенням температури роз­чинність газів зростає.

Кип'ятіння розчину дає змогу практично повністю позбутись розчинених у рідині газів. Але азеотропні суміші не розділяються за температурами кипіння, оскільки киплять при сталій температурі без зміни складу.

При розчиненні газу в рідині встановлюється рівновага між газом і його розчином (ΔG= 0), при цьому об'єм системи істотно зменшується. Якщо тепер підвищити тиск (ΔG<0), то це приведе до зміщення рівноваги в бік збільшення розчинності й перенесення розчинника (рис. 3.4), де В — розчинник; А — розчин; В' — перенесений розчинник; Р — пара розчинника; п(В)>п(В'). Отже, з цього випливає висновок, відомий як закон розчинності газів (Генрі, 1802): кількість газу, що розчиняється за сталої темпера­тури у певному об'ємі розчинника, пропорційна його тискові: S=К* р, де S- розчинність газу; К — константа, яка залежить від природи газу, розчинника та тем­ператури. Закон справджується для розведених розчинів, а також у випадку, коли гази не взаємо­діють з розчинником, що спос­терігається при низьких тисках.

Висновки із закону Генрі:

1. Об'єм розчиненого газу, на відміну від маси, не залежить від тиску. Це пояснюється оберненою пропорційністю тиску та об'єму згідно зі законом Бойля—Маріот-та: при збільшенні концентрації розчиненого газу з тиском його об'єм пропорційно зменшується, а вихідний об'єм не змінюється.

2. При розчиненні суміші газів розчинність кожного з них пропорційна його парціальному тиску над рідиною і не залежить від тиску суміші та природи інших газів (Дальтон, 1803).