7. Природа розчинів та способи вираження їх складу

Розчини - це двох- або більшкомпонентні гомогенні (однорідні) сис­теми, склад яких може змінюватись у широких межах.

Компонентами розчину є розчинник та розчинена речовина. За агрегатним станом розчини бувають газуваті, рідкі та тверді.

Газуваті розчини - це суміші газів, наприклад, повітря.

Тверді розчини здебільшого отримують під час спільної кристалізації рідких розчинів або розплавів. Так, твердий розчин утворюється під час кристалізації розплаву срібла та золота. До твердих розчинів належать розчин вуглецю в залізі, розчини водню в паладії та платині, змішані кристали KCl – KBr тощо.

Рідкі розчини утворюються під час розчинення газуватих, рідких або твердих речовин у рідині. Якщо рідкий розчин утворюється внаслідок розчинення газуватої або твердої речовини у рідині, то за розчинника вважають рідину, тобто той компонент розчину, агрегатний стан якого не змінюється. Якщо рідкий розчин утворюється при змішуванні двох або більше рідин, то розчинник у кількісному відношенні переважає розчинену в ньому речовину.

Склад розчинів, як і склад механічних сумішей, може змінюватись у досить широких межах. Розчини, як і суміші, можна досить легко розділити на складові частини. Але своєю однорідністю розчини нагадують хімічні сполуки. Крім того, процес розчинення, як і процес утворення хімічних сполук, супроводжується певним тепловим ефектом, зміною об'єму, як, на­приклад, під час розчинення спиртів або сульфатної кислоти у воді, забарвленням розчинів, наприклад, внаслідок розчинення білого купрум (II) сульфату CuSO₄ у воді утворюється синій розчин.

Отже, розчини можна розглядати, як перехідний стан речовин між хі­мічними сполуками та механічними сумішами.

Розчинення - це фізико-хімічний процес, що складається з окремих стадій, які відбуваються одночасно.

Внаслідок взаємодії частинок розчинюваної речовини з молекулами розчинника утворюються нестійкі хімічні сполуки. Ця стадія розчинення речовини називається сольватацією, а якщо розчинник - вода, то гідратацією, і утворені сполуки називаються відповідно сольватами або гід­ратами. Процес сольватації відбувається з виділенням енергії, тобто є екзотермічним:

H_сольв.<0.

Одночасно зі сольватацією відбувається руйнування зв'язків між частинками речовини, що розчиняється, а якщо розчинювана речовина є твердою, то руй­нування її кристалічної решітки. Ця стадія розчинення речовини потребує витрати енергії, тобто є ендотермічним процесом:

H_руйн.>0.

Тепловий ефект розчинення H_розч. дорівнює алгебраїчній сумі теплових ефектів окремих стадій:

H_розч. = H_сольв. + H_руйн.

Якщо |H_руйн.|>|H_сольв.|, тобто, якщо руйнування зв'язків між частинками розчинюваної речовини потребує витрати більшої кількості енергії, ніж кількість енергії, що виділяється внаслідок сольватації, то розчинення - процес ендотермічний: H_розч.>0. Наприклад, розчинення NH₄Cl у воді відбувається з поглинанням енергії.

Якщо |H_сольв.|>|H_руйн.|, тобто під час утворення сольватів виділяється більша кількість енергії, ніж витрачається на руйнування зв'язків між частинками розчинюваної речовини, тоді розчинення супроводжується виділенням енергії: H_розч.<0. Наприклад, розчинення NaOH у воді є екзотермічним процесом.

Розчинення газів у воді – завжди екзотермічний процес, тому що витрата енергії на руйнування слабких міжмолекулярних зв'язків незначна (H_руйн.→0). Отже, H_розч.≈ H_сольв.. Оскільки H_сольв.<0, то і H_розч.<0.

Розчинення речовини відбувається довільно, якщо G<0, а величина G залежить від співвідношення ентальпійного (Н) та ентропійного (TS) факторів, які зв'язані між собою рівнянням: G = H – TS

Розчинення газів у воді супроводжується виділенням енергії (H_розч.<0) та зменшенням ступеня невпорядкованості системи, отже і зменшенням ентропії (S<0). Тому G<0, якщо |H_розч.|>|TS|, тобто розчинення газів у воді відбуваєть­ся за низьких температур.

Розчинення твердих речовин, якщо розчин – рідина, здебільшого проходить з поглинанням енер­гії (H_розч.>0) і супроводжується зростанням ентропії (S>0) внаслідок збіль­шення ступеня невпорядкованості системи. Тому G<0, якщо |TS|>|H_розч.|, тобто розчиненню твердих речовин сприяє підвищення температури. Але, якщо |H_розч.| >> ‌‌‌‌‌|ТS|, то G>0 і розчинення твердої речовини неможливе навіть і за нагрівання. За будь-яких температур тверда речовина розчиняється (G<0), якщо її розчинення – процес екзотермічний (H_розч.<0).

Розчинення речовини у рідкому розчиннику – процес оборотний, тобто по мірі розчинення і збільшення її концентрації у розчині, стає можливим виділення речовини з розчину. Розчин, в якому встановлюється динамічна рівновага між речовиною у розчині та нерозчиненою речовиною, називається насиченим. У насиченому розчині швидкість розчинення речовини дорівнює швидкості її виділення з розчину, тобто скільки частинок речовини за одиницю часу переходить у розчин, стільки ж їх виділяється з розчину. Отже, у насиченому розчині за певної температури міститься максимальна кількість розчиненої речовини.

Концентрація речовини у насиченому розчині є мірою розчинності речовини. У ненасиченому розчині концентрація речовини менша, а у пересиченому – більша, ніж концентрація речовини у насиченому розчині. Пересичені розчини утворюються при повільному і обережному охолодженні насичених розчинів. Пересичені розчини – нестійкі і внесення до розчину кристала розчинюваної речовини спричиняє випадання її надлишку в осад.

Розчинність речовини залежить від природи розчинюваної речовини та роз­чинника. За старовинним правилом: подібне розчиняється у подібному. Якщо молекули розчинника неполярні (бензол, ефір), то в ньому добре розчиняються речовини, молекули яких теж неполярні або малополярні, наприклад CO, I₂. І навпаки, речовина, яка складається з полярних молекул, добре розчиняється у полярних розчинниках, як, наприклад, спирт у воді.

Для визначення залежності розчинності речовини від температури можна застосувати принцип Ле Шательє. Розчинення більшості твердих речовин у воді - процес ендотермічний, тому їх розчинність за нагрівання зрос­тає. Розчинення газів у воді - екзотермічний процес, тому підвищення температури зменшує іх розчинність.

При змішуванні рідин можливі такі випадки. Деякі рідини необмежено розчинні одна в одній, як, наприклад, спирт і вода. Інші - взаємно розчиняються до певної межі, наприклад, вода та ефір. За підвищення температури взаємна розчинність рідин збільшується і за температури, яка називаєтеся критичною, стає необмеженою.

Розчинення твердих та рідких речовин у рідині майже не супроводжується змі­ною об'єму. Тому їх розчинність практично не залежить від тиску. Під час роз­чинення газів у рідині об'єм системи значно зменшується, тому підвищення тиску призводить до збільшення розчинності газів. Залежність розчинності газів від тиску виражається законом Генрі-Дальтона:

“Розчинність газу в рідині за сталої температури прямо пропорційна його парціальному тиску.”

Способи вираження складу розчинів

Масова частка речовини ω(B) -це відношення маси розчиненої речо­вини m(B) до маси розчину m_p:

, (7.1)

де V (л) та d (г/л) – відповідно об’єм та густина розчину, а маса розчину дорівнює:

m_p= V·d (7.2)

Масова частка - безрозмірна величина, що показує яку частку складає маса розчиненої речовини від маси усього розчину.

Масова концентрація речовини (B) - це відношення маси розчиненої речовини m(В) до об'єму розчину V:

(7.3)

Масова концентрація вимірюється у г/л.

Молярна концентрація речовини с(В) - це відношення кількості розчиненої речовини n(B) до об'єму розчину V:

, (7.4)

де кількість розчиненої речовини дорівнює: (1.7).

Молярна концентрація вимірюється у моль/л.

Молярна частка речовини χ(В) - це відношення кількості розчине­ної речовини n(В) до загальної кількості розчиненої речовини та розчинника:

, (7.5)

де n⁰ - кількість розчинника.

Молярна частка - безрозмірна величина, що показує яку частку складає кількість розчиненої речовини від загальної кількості розчиненої речовини та розчинника.

Моляльність речовини с_m(B) – це відношення кількості розчиненої речовини n(В) до маси розчинника m_р-ка:

(7.6)

Моляльність вимірюється у моль/(кг розчинника).

Приклад 1. У воді об`ємом 300 мл розчинили натрій хлорид масою 20 г. Густина води дорівнює 1000 г/л. Розрахуйте масову частку NaCl у розчині.

Розв'язання.

Визначимо масу розчинника (води):

m(H₂O) = V(H₂O) · d(H₂O) = 0,3 л · 1000 г/л =300 г

Маса розчину дорівнює:

m_р = m(NaCl) + m(H₂O) = 20 г + 300 г =320 г

Розрахуємо масову частку NaCl у розчині (7.1):

Приклад 2. Розрахуйте об`єм водного розчину з масовою часткою калій карбонату 10%, в якому міститься K₂CO₃ масою 54,5 г. Густина розчину становить 1090 г/л.

Розв'язання.

Обчислюємо масу розчину (7.1):

г.

Об`єм розчину дорівнює (7.2):

л.

Приклад 3. Водний розчин об`ємом 400 мл містить кількість сульфатної кислоти 0,8 моль. Обчисліть масову концентрацію H₂SO₄ у розчині.

Розв'язання.

Розрахуємо масу сульфатної кислоти (1.7):

m(H₂SO₄) = n(H₂SO₄) · M(H₂SO₄) = 0,8 моль · 98 г/моль = 78,4 г.

Обчислимо масову концентрацію H₂SO₄ у розчині (7.3):

.

Приклад 4. Визначте молярну концентрацію натрій сульфату у розчині, добутому внаслідок розчинення Na₂SO₄ масою 106,5 г у воді масою 750 г. Густина розчину дорівнює 1120 г/л.

Розв'язання.

Кількість розчиненого натрій сульфату становить (1.7):

.

Обчислимо масу добутого розчину:

m_p= m(Na₂SO₄) + m(H₂O) = 106,5 г + 750 г = 856,5 г

Об`єм розчину дорівнює (7.2): .

Розрахуємо молярну концентрацію натрій сульфату у розчині (7.4):

.

Приклад 5. Розрахуйте масу калій нітрату, необхідну для приготування водного розчину об’ємом 2 л з молярною концентрацією KNO₃ 0,1 моль/л.

Розв'язання.

Визначимо кількість калій нітрату, необхідну для приготування розчину об`ємом 2 л (7.4):

n(KNO₃) = c(KNO₃) · V = 0,1 моль/л · 2 л = 0,2 моль.

Розрахуємо масу цієї кількості калій нітрату (1.7):

m(KNO₃) = n(KNO₃) · M(KNO₃) = 0,2 моль · 101 г/моль = 20,2 г.

Приклад 6. Розрахуйте молярну частку карбаміду у водному розчині з масовою часткою CO(NH₂)₂ 30% (0,3 в частках від одиниці).

Розв'язання.

За виразом (7.1) маса розчиненої речовини дорівнює:

Сума масових часток усіх компонентів розчину становить 1, тому масова частка води та її маса дорівнюють:

Кількість компонентів розчину визначається за виразом (1.7):

,

.

Розрахуємо молярну частку карбаміду у розчині (7.5):

,

де M(CO(NH₂)₂)=60 г/моль, M(H₂O)=18 г/моль.

Приклад 7. Розрахуйте моляльність глюкози C₆H₁₂O₆ у розчині, який отримали під час розчинення глюкози масою 18 г у воді масою 200 г.

Розв'язання.

Визначимо кількість глюкози у розчині (1.7):

.

Моляльність глюкози у розчині дорівнює (7.6):

моль/кг H₂O.