Завдання для самоперевірки

1. Вкажіть, які з наведених нижче речовин є окисниками, а які – відновниками: FeCl₂, Cl₂, Zn, NH₃, PbO₂, Au₂(SO₄)₃, KClO₃, NaClO.

2. Наведіть приклади реакцій, в яких сульфур (IV) оксид проявляє властивості:

а) окисника; б) відновника.

3. наведіть приклади окисно-відновних реакцій, які зустрічаються в природі та використовуються в промислових процесах.

4.Методом електронного балансу підберіть коефіцієнти в схемах окисно-відновних реакцій, що протікають в розчинах:

а) H₂S + HNO₃  S + NO + H₂О;

б) Mn(NO₃)₂ + NаВiO₃ + HNO₃  HMnO₄ + Bi(NО₃)₃ + NaNO₃ + H₂О;

в) Cr₂(SO₄)₃ + KMnO₄ + H₂SO₄  K₂Cr₂O₇ + MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂О.

Заняття № 7

Тема: Розчини. Природа розчинення. Розчинність речовин у воді. (2 год.)

План.

1. Визначення розчинів. Склад розчину.

2. Класифікація розчинів. Значення розчинів в природі та промисловості.

3. Природа розчинення.

4. Розчинність речовин у воді. Фактори що на неї впливають.

1. Якщо частинки молекулярних або атомних розмірів будь-якої речовини рівно розповсюдити посеред частинок іншої речовини, то отримується гомогенна система – розчин. З розчинами ми зустрічаємося всюди: повітря – однорідна газова система, розчинена у воді сіль – однорідна рідина, сплав нікеля та міді – однорідний твердий матеріал, усе це приклади розчинів.

При розчиненні речовин, які знаходяться у різних агрегатних станах – газоподібному, рідкому, твердому, звичайно отримуються системи, які знаходяться в одному агрегатному стані. Наприклад, в воді можна розчинити газ – карбон (ІV) оксид чи тверду речовину – калій хлорид. В обох випадках утворюються однорідні рідкі системи. В залежності від того в якому агрегатному стані знаходяться їхні розчини, їх класифікують на рідкі, тверді та газові.

Розчин повинен складатися не менш як з двох компонентів, один з яких є розчинником, а інший – розчиненою речовиною. Розчинник – це компонент розчину, який знаходиться у тому ж агрегатному стані, що й розчин. Наприклад, при взаємодії натрій хлориду (тверда речовина) та води (рідина) утворюється рідкий розчин. В цьому випадку вода – розчинник, а натрій хлорид – розчинена речовина. Часто розчини утворюються речовинами, які знаходяться у двох однакових агрегатних станах, наприклад, спирт (рідина) та вода (рідина). В цьому випадку розчинником є речовина з найбільшою кількістю в системі.

Тож, розчином (чи справжнім розчином) називається гомогенна система змінного складу, яка складається з двох чи більшої кількості компонентів, які роздрібнені до розмірів атомів, іонів чи молекул.

2. Розміри часток в розчинах складають менш ніж 10^-10м. Це значить, що речовини в системі знаходяться у вигляді молекул, атомів чи іонів.

Системи, в яких частинки речовини розміром більші за 10^-10м рівномірно розподілені в середі іншої речовини, називаються дисперсними. Ці системи гетерогенні, їх властивості різняться із властивостями справжніх розчинів. Дисперсні розчини є предметом вивчення колоїдної хімії.

Розчини мають велике значення в хімії, в них проходить більшість хімічних реакцій. Багато технічних процесів, наприклад отримання нітратної кислоти, гідрометалургічне виділення металів, здійснюються в розчинах. Розчини (кислот, лугів, солей, органічних речовин) широко використовуються в промисловості та в побуті.

В цьому розділі розглянуті властивості, в основному рідких розчинів, як найбільш розповсюджених. Посеред них найважливіше місце займають системи, в яких розчинником є вода. В останній час все більше використання знаходять неводні розчинники – різні неорганічні та органічні рідини, такі як, наприклад, безводна сульфатна кислота, рідкий амоніак, ацетон, спирти.

3. Природа розчинення. Велика роль у визначені природи процесу розчинення належить Д.І Менделєєву – творцю хімічної теорії розчинів. За цією теорією розчинник хімічно взаємодіє з розчиненими речовинами. Значний внесок у хімічну теорію розчинів зробили російські вчені Д.П. Коновалов, І.А.Каблуков, В.А.Кистяковський.

Розглянемо деякі експериментальні факти, які доводять хімічну природу розчинення.

Розчинення будь-якої речовини супроводжується виділенням чи поглинанням тепла, що типово для хімічних реакцій. Наприклад, при розчиненні у воді 1 моль газоподібного амоніака виділяється теплота 34 кДж, при розчиненні 1 моль амонію хлорида теплота поглинається 14,8 кДж.

При розчиненні деяких речовин отримуються пофарбовані розчини. Забарвлення розчину зумовлене хімічною взаємодією розчиненої речовини з водою. Наприклад, безводний купрум (ІІ) сульфат – безкольорова речовина, розчин його у воді має блакитне забарвлення.

Змішування компонентів розчину не є механічним процесом. Так, якщо змішати 100 мл безводної фосфатної кислоти та 100 мл води, то утвориться не 200, а 195 мл розчину. Це явище також вказує на хімічну взаємодію розчинника та розчиненої речовини.

Наприкінці ХІХ ст. отримала розповсюдження фізична теорія розчинів, в якій процес розчинення речовин розглядався як їх розподіл в інертному середовищі без хімічної взаємодії. За цією теорією рух частинок розчиненої речовини аналогічний хаотичному руху молекул в газі. Фізична теорія використовується лише в газових розчинах.

Розчинення – це складний фізико-хімічний процес, за якого відбувається взаємодія (електростатична, донорно-акцепторна, утворення водневого зв'язку) між частинками розчинника та розчинених речовин.

Продуктами взаємодії розчинника з розчиненими речовинами є сольвати, а процес їх утворення називається сольватацію. Окремим випадком сольватації є гідратація – взаємодія розчинених речовин з водою, в результаті якого утворюються гідрати. Молекули розчинника при сольватації (гідратації) не руйнуються. Більшість сольватів (гідратів) – малостійкі сполуки. Але деякі гідрати утримують воду навіть в твердому кристалічному стані, наприклад Na₂SO₄х10H₂O (глауберова сіль), CuSO₄х5H₂O (мідний купорос), FeSO₄х2H₂O (залізний купорос) . Такі речовини мають назву – кристалогідрати.

4. Під розчинністю розуміють можливість речовини утворювати розчини. Розчин, в якому може бути розчинено ще деяка кількість розчиненої речовини за даної температури, є ненасиченим. За розчиненням речовини, наприклад, кристалічної речовини В, настає такий стан, коли з введенням нових порцій речовини В концентрація його в розчині не буде вже збільшуватись. Встановлюється динамічна рівновага:

В (кристалічне) ↔ В (в розчині)

Розчин, який знаходиться в рівновазі з розчиненою речовиною, називається насиченим.

Іноді вдається отримати перенасичені розчини з концентрацією розчинної речовини вищою ніж потрібно для насичення. Такі розчини легко руйнуються; утворюється насичений розчин, та надлишок розчиненої речовини.

В воді більш чи менш розчиняються усі неорганічні речовини (якщо тільки вони не розпадаються при стиканні з водою). По розчинності речовин у воді їх звичайно класифікують на розчинні (розчинність вища 1 г в 100 г води), малорозчинні (0,1-1г в 100 г води) і практично нерозчинні (менш ніж 0,1 г в 100г води).

Розчинність твердих речовин у воді головним чином залежить від температури. З підвищенням температури розчинність зростає.

Розчинність таких газів, як водень, кисень, азот, в воді невелика, що зумовлене слабкою хімічною взаємодією цих газів з водою. Так при температурі 20°С та тиску 101325 Па в 1 л води можна розчинити всього 16 мл азоту чи 31 мл кисню. Деякі гази, наприклад, сульфур (IV) оксид, хлороводень, аміак сильно взаємодіють з водою, та їх розчинність в воді велика. Розчинність газів в воді зменшується з підвищенням температури, але збільшується з підвищенням тиску.

Кількісною характеристикою розчинності є концентрація насиченого розчину речовини за даної температури. Її можна подати за допомогою одного зі способів виразу складу розчину чи через коефіцієнт розчинності. Коефіцієнт розчинності – це маса (в г) речовини, що розчиняється за даних умов в 100 г розчинника.

Розглянемо приклад розрахунку з використанням коефіцієнта розчинності.

Приклад. Коефіцієнт розчинності купрум (ІІ) сульфата у воді за температури 20°С дорівнює 17,2 г на 100 г Н₂О. Визначте масову частку купрум (ІІ) сульфата в насиченому водному розчині при 20°С.

Розв'язок.

Коефіцієнт розчинності CuSO₄, рівний 17,2 г, показує, що m(CuSO₄) = 17,2 г, m(H₂O) =100 г.

Тоді маса розчина складе: m_р = m(CuSO₄) + m(H₂O) = 17,2 + 100 = 117,2 г

За рівнянням розраховуємо масову частку купрум (ІІ) сульфата:

ω(CuSO₄) = m(CuSO₄) / m_р ;

ω(CuSO₄) = 17,2 / 117,2 = 0,147 або 14,7 %.

Відповідь: ω(CuSO₄) =14,7 %.