Глава 1. Растворы. Основы теории электролитической диссоциации.

1.1. Понятие о растворах. Процесс растворения. Растворимость веществ

В аналитической химии качественное и количественное определение веществ проводится преимущественно в рас­творах. Растворами называются гомогенные системы, со­стоящие из двух или более компонентов, состав которых может непрерывно меняться в определенных пределах. Компоненты растворов подразделяют на растворитель и растворенные вещества. Обычно растворителем считают то вещество, которое в чистом виде существует в том же аг­регатном состоянии, что и образовавшийся раствор. Если до образования раствора оба вещества находились в одном и том же агрегатном состоянии, растворителем считается то вещество, которое находится в большем количестве.

Растворы бывают жидкими, твердыми и газообразными.

Жидкие растворы — это растворы солей, сахара, спирта в воде. Кровь, лимфа, моча — тоже жидкие растворы. Жидкие растворы могут быть водными и неводными. Вод­ные растворы — это растворы, в которых растворителем является вода. Неводные растворы — это растворы, в которых растворителями являются органические жидкости (бензол, спирт, эфир и т.д.).

Твердые растворы - сплавы металлов.

Газообразные растворы - воздух и другие смеси газов.

Процесс растворения. Растворение — это сложный фи­зико-химический процесс. При физическом процессе про­исходит разрушение структуры растворяемого вещества и распределение его частиц между молекулами растворите­ля. Химический процесс - это взаимодействие молекул растворителя с частицами растворенного вещества. В ре­зультате этого взаимодействия образуются солъваты. Ес­ли растворителем является вода, то образующиеся сольваты называются гидратами. Процесс образования сольватов называется сольватацией, процесс образования гид­ратов — гидратацией. При упаривании водных растворов образуются кристаллогидраты - это кристаллические ве­щества, в состав которых входит определенное число мо­лекул воды (кристаллизационная вода). Примеры крис­таллогидратов:

CuSO₄ • 5Н₂О - пентагидрат сульфата ме­ди (II); FeSO₄ • 7Н₂О - гептагидрат сульфата железа (II).

Физический процесс идет с поглощением энергии, хи­мический — с выделением. Если в результате гидратации (сольватации) выделяется больше энергии, чем ее погло­щается при разрушении структуры вещества, то растворе­ние - экзотермический процесс. Выделение энергии про­исходит при растворении NaOH, H₂SO₄, Na₂CO₃, ZnSO₄ и других веществ. Если для разрушения структуры вещест­ва надо больше энергии, чем ее выделяется при гидрата­ции, то растворение - эндотермический процесс. Погло­щение энергии происходит при растворении в воде NaNO₃, КС1, NH₄NO₃, K₂SO₄, KNO₂, NH₄C1 и других веществ.

Количество энергии, которое выделяется или погло­щается при растворении, называется тепловым эффек­том растворения.

Растворимость веществ. Способность вещества раство­ряться в воде или другом растворителе называется рас­творимостью. Количественной характеристикой раство­римости является коэффициент растворимости, который показывает, какая максимальная масса вещества может раствориться в 1000 или 100 г воды при данной темпера­туре. Растворимость вещества зависит от природы раство­рителя и вещества, от температуры и давления (для га­зов). Растворимость твердых веществ в основном увеличивается при повышении температуры. Растворимость газов с повышением температуры уменьшается, но при повы­шении давления увеличивается.

По растворимости в воде вещества делят на три группы:

1. Хорошо растворимые (р.). Растворимость веществ больше 10 г в 1000 г воды. Например, 2000 г сахара рас­творяется в 1000 г воды, или в 1 л воды.

2. Малорастворимые (м.). Растворимость веществ от 0,01 г до 10 г вещества в 1000 г воды. Например, 2 г гипса (CaSO₄ • 2Н₂О) растворяется в 1000 г воды.

3. Практически нерастворимые (н.). Растворимость ве­ществ меньше 0,01 г вещества в 1000 г воды. Например, в 1000 г воды растворяется 1,5 • 10^-3 г AgCl.

При растворении веществ могут образоваться насы­щенные, ненасыщенные и пересыщенные растворы.

Насыщенный раствор - это раствор, который содер­жит максимальное количество растворяемого вещества при данных условиях. При добавлении вещества в такой раствор вещество больше не растворяется.

Ненасыщенный раствор — это раствор, который содер­жит меньше растворяемого вещества, чем насыщенный при данных условиях. При добавлении вещества в такой раствор вещество еще растворяется.

Иногда удается получить раствор, в котором растворен­ного вещества содержится больше, чем в насыщенном рас­творе при данной температуре. Такой раствор называется пересыщенным. Этот раствор получают при осторожном охлаждении насыщенного раствора до комнатной темпера­туры. Пересыщенные растворы очень неустойчивы. Крис­таллизацию вещества в таком растворе можно вызвать пу­тем потирания стеклянной палочкой стенок сосуда, в кото­ром находится данный раствор. Этот способ применяется при выполнении некоторых качественных реакций.

Растворимость вещества может выражаться и моляр­ной концентрацией его насыщенного раствора.

Молярная концентрация вещества С(Х) - это количе­ство вещества (моль), которое содержится в 1 л раствора. Рассчитывается как отношение количества вещества v(X), содержащегося в растворе, к объему этого раствора V:

С(Х) =ν(Х)/V=m(X)/M(X)•V, (1.1)

где т(Х) — масса растворенного вещества, г; М(Х) — молярная масса растворенного вещества, г/моль. Молярную концентрацию выражают в моль/дм³ (моль/л). Чаще все­го применяется единица измерения моль/л. Если в 1 л раствора содержится 1 моль растворенного вещества, то раствор называется молярным (1 М). Если в 1 л раствора со­держится 0,1 моль или 0,01 моль растворенного вещества, то раствор соответственно называется децимолярным (0,1 М), сантимолярным (0,01 М).