21. Способы выражения состава растворов.

Любой раствор состоит из растворителя и растворенного вещества. В случае

растворов газов или твердых веществ в жидкостях растворителем обычно

считается жидкость, а растворенным веществом – растворенный газ или твердое

вещество, независимо от их относительного количественного содержания. Когда

компоненты обладают ограниченной смешиваемостью, то растворителем является

тот, прибавление которого к раствору возможно в неограниченном количестве без

нарушения гомогенности. Если компоненты обладают неограниченной

растворимостью, то можно выделить два случая. При значительном различии

содержания компонентов растворителем считается вещество, присутствующее в

относительно большем количестве. Понятия растворитель и растворенное вещество

теряют смысл, когда речь идет о смесях с примерно равными или близкими

концент­рациями компонентов. В этом случае состав раствора может выражаться

различными способами – как с помощью безразмерных единиц – долей или

процентов, так и через размерные величины – концентрации. На практике

используют более десятка способов выражения концентрации. Вот некоторые из

них:

1. Массовая доля растворенного вещества.

Отношение массы растворенного вещества B к массе растворителя.

или

2. Мольная доля растворенного вещества.

Отношение количества растворенного вещества к суммарному количеству всех

веществ, составляющих раствор, включая растворитель

или

Мольная доля указывает на число молей данного вещества в одном моле раствора.

Сумма мольных долей всех составных веществ равна единице:

3. Объемная доля растворенного вещества:

Отношение объема растворенного вещества к сумме объемов вещества и растворителя.

или

4. Молярная концентрация (или молярность).

Определяется отношением числа молей растворенного вещества к объему раствора,

выраженному в литрах. Физический смысл молярной концентрации заключается в

том, что она указывает на число молей вещества содержащегося в 1 литре его

раствора.

5. Нормальная концентрация (или нормальность).

Определяется отношением числа эквивалентов растворенного вещества B к объему

раствора, выраженному в литрах. Физический смысл нормальной концентрации

заключается в том, что она указывает на число эквивалентов растворенного

вещества, содержащегося в 1 литре раствора.

6. Моляльная концентрация (или моляльность).

Определяется отношением числа молей растворенного вещества к массе

растворителя. Физический смысл заключается в том, что она показывает, сколько

молей вещества растворено в 1 кг (1000г) растворителя.

Применение того или иного способа выражения концентрации зависит от решения

конкретных практических задач.

21. Осмос—процесс односторонней диффузии растворителя через полупроницаемую перегородку.

Равновесное давление раствора, препятствующее диффузии растворителя через перегородку называется осмотическим давлением. π=CмRT (103 Па).

Закон Вант-Гоффа: осмотическое давление численно равно тому давлению, которое оказывало бы растворенное вещество, если бы оно при данной температуре находилось в состоянии идеального газа и занимало объем, равный объему раствора

Закон Рауля: Относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором равно молярной доле растворенного вещества. (p0-p)/ p0=хв, хв – молярная доля растворенного вещества.

21. Давление насыщенного пара определяется при данной температуре равновесием между жидким и газообразным состоянием вещества. Это равновесие устанавливается на границе раздела фаз. В любом растворе концентрация молекул в поверхностном слое меньше, чем в чистом веществе, и равновесие может быть достигнуто при меньшем давлении насыщенного пара. Закон Рауля : при постоянной температуре давление насыщенного пара компонента идеального раствора пропорционально его молярной доле в растворе:

.

Относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором равно мольной доле растворенного вещества. Температура кристаллизации растворителя из раствора всегда ниже чем для чистого растворителя. Температура кипения раствора всегда выше чем температура кипения чистого растворителя.

21. Дисперсные системы - гетерогенные системы из двух или большего числа фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними. Обычно одна из фаз образует непрерывную дисперсионную среду, в объеме которой распределена дисперсная фаза (или несколько дисперсных фаз) в виде мелких кристаллов, твердых аморфных частиц, капель или пузырьков.

Основные типы дисперсных систем

По дисперсности, т.е. размеру частиц дисперсной фазы или отношению общей площади межфазной поверхности к объему (или массе) дисперсной фазы, дисперсные системы условно делят на грубодисперсные и коллоидно-дисперсные или просто коллоидные системы. В грубодисперсных системах частицы имеют размеры от 1 мкм и выше, в коллоидных - от 1 нм до 1 мкм. По агрегатному состоянию дисперсионной среды и дисперсной фазы выделяют следующие основные виды дисперсных систем:

1) аэродисперсные (газодисперсные) системы с газовой дисперсионной средой: аэрозоли (дымы, пыли, туманы), порошки, волокнистые материалы типа войлока.

2) Системы с жидкой дисперсионной средой; дисперсная фаза м. б. твердой (грубодисперсные суспензии и пасты, высокодисперсные золи и гели), жидкой (грубодисперсные эмульсии, высокодисперсные микроэмульсии и латексы) или газовой (грубодисперсные газовые эмульсии и пены).

3) Системы с твердой дисперсионной средой: стеклообразные или кристаллич. тела с включениями мелких твердых частиц, капель жидкости или пузырьков газа, напр., рубиновые стекла, минералы типа опала, разнообразные микропористые материалы.

Отдельные группы дисперсных систем составляют металлические сплавы, горные породы, сложные композиционные и др. многофазные системы.

Классификация дисперсных систем по агрегатным состояниям фаз.

Дисперсионная среда		Дисперсная фаза		Примеры дисперсных систем
Твердая		Твердая		Рубиновое стекло; пигментированные волокна; сплавы; рисунок на ткани, нанесенный методом пигментной печати
Твердая		Жидкая		Жемчуг, вода в граните, вода в бетоне, остаточный мономер в полимерно-мономерных частицах
Твердая		Газообразная		Газовые включения в различных твердых телах: пенобетоны, замороженные пены, пемза, вулканическая лава, полимерные пены, пенополиуретан
Жидкая		Твердая		Суспензии, краски, пасты, золи, латексы
Жидкая		Жидкая		Эмульсии: молоко, нефть, сливочное масло, маргарин, замасливатели волокон
Жидкая		Газообразная		Пены, в том числе для пожаротушения и пенных технологий замасливания волокон, беления и колорирования текстильных материалов
Газообразная		Твердая		Дымы, космическая пыль, аэрозоли
Газообразная		Жидкая		Туманы, газы в момент сжижения
Газообразная	Жидкая		Туманы, газы в момент сжижения
Газообразная	Газообразная		Коллоидная система не образуется

Истинные растворы

Истинные растворы характеризуются полной гомогенностью и благодаря небольшой разнице между размерами молекул растворенного вещества и растворителя, а также отсутствию пограничных поверхностей раздела между ними представляют собой однофазные дисперсные системы.

Для истинных растворов характерна большая прочность связи между растворенным веществом и растворителем. Растворенное вещество в дальнейшем не отделяется от раствора и, находясь под непрерывным воздействием теплового движения, остается равномерно распределенным в жидкости. Раствор сохраняет гомогенность неопределенно долгое время, если только в нем не происходит никаких самопроизвольных вторичных процессов, изменяющих химическую природу (состав) растворенного вещества (гидролиз, окисление, действие света и т. п.).

Электролиты и неэлектролиты

Вещества, распадающиеся на ионы в растворах или расплавах и потому проводящие электрический ток, называются электролитами. Электролиты — проводники второго рода, вещества, которые в растворе (или расплаве) состоят полностью или частично из ионов и обладающие вследствие этого ионной проводимостью. Исходя из степени диссоциации все электролиты делятся на две группы

1. Сильные электролиты — электролиты, степень диссоциации которых в растворах равна единице (то есть диссоциируют полностью) и не зависит от концентрации раствора. Сюда относятся подавляющее большинство солей, щелочей, а также некоторые кислоты (сильные кислоты, такие как: HCl, HBr, HI, HNO₃).

2. Слабые электролиты — степень диссоциации меньше единицы (то есть диссоциируют не полностью) и уменьшается с ростом концентрации. К ним относят воду, ряд кислот (слабые кислоты), основания p-, d-, и f- элементов.

Между этими двумя группами четкой границы нет, одно и то же вещество может в одном растворителе проявлять свойства сильного электролита, а в другом — слабого.

Вещества, которые в тех же условиях на ионы не распадаются и электрический ток не проводят, называются неэлектролитами. Они содержат ковалентные неполярные или малополярные связи, которые не распадаются на ионы.

Электрический ток не проводят газы, твердые вещества (неметаллы), органические соединения (сахароза, бензин, спирт).

РАСТВОРЫ ЭЛЕКТРОЛИТОВ содержат в заметных концентрациях ионы-катионы и анионы, образующиеся в результате электролитической диссоциации молекул растворенного вещества. Растворы электролитов обладают способностью проводить электрический ток и относятся к проводникам второго рода. Классификация растворов электролитов основана на классификации электролитов. Соответственно о растворах электролитов говорят как о симметричных и несимметричных в зависимости от того, распадается ли молекула растворенного вещества в растворе на два иона или на большее число частиц. По степени диссоциации электролита различают сильные, слабые электролиты и, соответственно, растворы сильных и слабых электролитов. Такое деление, однако, является условным и отражает состояние электролита в растворе, определяемое не только природой растворенного вещества и растворителя, но и концентрацией (молярной долей), температурой Т, давлением р.

В зависимости от состояния растворенного вещества до растворения выделяют два класса растворов электролитов - растворы ионофоров и растворы ионогенов.

Количественная характеристика диссоциации электролитов называется степенью диссоциации (обозначение α); для веществ-электролитов всегда больше нуля (α = 0 в случае неэлектролитов). Степень диссоциации может выражаться как в долях от 1, так и в процентах.

Для сильных электролитов в водном растворе по определению α = 1: диссоциация таких электролитов протекает необратимо (до конца), и степень превращения растворенного вещества в ионы полная. Для слабых электролитов степень диссоциации (отношение молярной концентрации продиссоциировавшего вещества к общей концентрации вещества в растворе) всегда меньше единицы, но больше нуля.

Константа диссоциации — вид константы равновесия, которая показывает склонность большого объекта диссоциировать (разделяться) обратимым образом на маленькие объекты, как например когда комплекс распадается на составляющие молекулы, или когда соль разделяется в водном растворе на ионы.

Исходя из определения степени диссоциации, для электролита КА в реакции диссоциации [A⁻] = [K⁺] = α·c, [KA] = c — α·c = c·(1 — α), где α — степени диссоциации электролита.

Тогда:

Это выражение называют законом разбавления Оствальда. При очень малых α (α<<1) K=cα² и

,

таким образом, при увеличении концентрации электролита степень диссоциации уменьшается, при уменьшении — возрастает.

21. Диссоциация воды - разложение воды на составляющие химические элементы. Диссоциация воды является эндотермической реакцией, т.е. идущей с поглощением теплоты из окружающей среды. В воде всегда присутствует немного катионов водорода и гидроксид-ионов, которые образуются в результате обратимой диссоциации:

H₂O H⁺ + OH^-

Для количественной характеристики кислотности среды используют так называемый водородный показатель рН. Каждое значение рН отвечает определенному содержанию катионов водорода в 1 л раствора. Вычисляется как отрицательный десятичный логарифм активности водородных ионов, выраженной в молях на литр

В чистой воде и в нейтральных растворах значение рН равно 7. В растворах кислот содержание катионов водорода увеличивается, а содержание гидроксид-ионов уменьшается, в растворах щелочей наблюдается обратная картина. В соответствии с этим меняется и значение водородного показателя (рН). Кислоты, попадая в воду, диссоциируют, и содержание катионов водорода в расчете на 1 л раствора становится больше. Сильные кислоты в водной среде диссоциируют необратимо. Диссоциация слабых кислот протекает обратимо.

Водородный показатель рН, меньший 7, отвечает кислотной среде раствора. Если рН находится в интервале 5-7, то среда раствора считается слабокислотной, если рН меньше 5, то сильнокислотной: чем сильнее кислота, тем ниже значение рН.

В результате диссоциации оснований в водном растворе появляются гидроксид-ионы, которые связывают катионы водорода, присутствующие в чистой воде, и уменьшают их количество в щелочном растворе.

В растворах оснований водородный показатель (рН) - больше 7. Среда в таких растворах щелочная.

Для растворов сильных оснований, диссоциация которых идет необратимо, значение рН будет существенно выше 7. Диссоциация слабых оснований протекает лишь частично, и рН не столь заметно превышает значение, характерное для нейтральной среды. Раствор считается слабощелочным при рН от 7 до 9 и сильнощелочным при рН выше 9.

Значения водородного показателя (рН) водных растворов распространенных веществ обычно находятся в интервале от 1 до 13. Приближенно оценить рН растворов можно с помощью кислотно-основных индикаторов.

Буферными называют растворы, рН которых практически не изменяется от добавления к ним небольших количеств сильной кислоты или щелочи, а также при разведении. Простейший буферный раствор – это смесь слабой кислоты и соли, имеющей с этой кислотой общий анион (например, смесь уксусной кислоты СН₃СООН и ацетата натрия СН₃СООNa), либо смесь слабого основания и соли, имеющей с этим основанием общий катион (например, смесь гидроксида аммония NH₄OH с хлоридом аммония NH₄Cl).

21. pH-индикаторы. Интервал перехода окраски индикатора.Кислотно-основные индикаторы — органические соединения, способные изменять цвет в растворе при изменении кислотности (pH).

Метилоранж 4,0 фиолетовый -> желтый

Фенилфталеин 9,0 бесцветный -> фиолетовый

Лакмус 7,0 красный -> синий