Примеры решения задач

Задание 1. Напишите схему мицеллы коллоидного раствора, полученного обменной реакцией ВаCl₂ и К₂СО₃ (в избытке).

Решение: ВаCl₂ + К₂СО₃ → ВаСО₃↓ + 2КCl

Ядро гранулы: m[ВаСО3]. Так как К2СО3 в избытке, потенциалопределяющими ионами служат анионы СО₃ ^2–, а противоионами катионы К⁺. 

Формула мицеллы карбоната бария при избытке К₂СО₃: {m [ВаСО3] n СО3^2– 2(n-x) К⁺}^2x– 2xК⁺

Задание 2. Золь сульфата свинца получен при сливании равных объемов 0,001М раствора сульфата калия и 0,02М раствора нитрата свинца. Напишите формулу мицеллы.

Решение: Pb(NO₃)₂ + K₂SO₄ → PbSO₄↓ +2KNO₃

1 моль 1 моль

Концентрация раствора Pb(NO₃)₂ больше, чем K₂SO₄, поэтому Pb(NO₃)₂ в избытке, т.е. ионы Pb²⁺ в избытке и являются потенциалопределяющими. Частицы золя будут заряжены положительно.

Формула мицеллы: {m[PbSO₄] nPb²⁺ 2(n – x)NO^3–}^2x+ ∙ 2xNO₃^–

1.7. Растворы

Раствор - это гомогенная система, состоящая из растворителя, растворенного вещества и продуктов их взаимодействия.

Например: водный раствор H₂SO₄. Растворитель - Н₂О, растворенное вещество - H₂SO₄, продукты взаимодействия растворителя с растворенным веществом – Н⁺ (Н₃О⁺ – ион оксония), HSO₄^-, SO₄^2-, гидраты H₂SO₄∙Н₂О, H₂SO₄∙2Н₂О, H₂SO₄∙4Н₂О.

Каждый из компонентов распределён в другом в виде атомов, молекул или ионов  (размер частиц менее 1 нм или 10^-9м).

По агрегатному состоянию растворы делятся:

1. газообразные растворы, например воздух (раствор кислорода, паров воды, углекислого газа СО₂ и благородных газов в азоте);

2. твердые растворы, например сплавы металлов (медные: Cu – Zn, Cu – Cd, Cu – Ni);

3. жидкие растворы в свою очередь делятся:

- растворы твердых веществ в жидкостях, например соль, сахар в воде;

- растворы газообразных веществ в жидкостях: соляная кислота, нашатырный спирт;

- растворы жидких веществ в жидкостях: уксус, водка (спирт + вода).

Растворенным веществом при одинаковом агрегатном состоянии компонентов обычно считаются компонент, находящийся в недостатке, в то время как компонент, находящийся в избытке, считается растворителем. При разных агрегатных состояниях компонентов раствора растворителем обычно считается компонент, агрегатное состояние которого совпадает с агрегатным состоянием раствора.

По относительным количествам растворенного вещества и растворители растворы бывают: разбавленные и концентрированные.

Раствор, в котором данное вещество при данной температуре больше не растворяется, называют насыщенным. Раствор, в котором еще можно растворить дополнительное количество данного вещества, называют ненасыщенным. Пересыщенный раствор — раствор, содержащий при данных условиях больше растворённого вещества, чем в насыщенном растворе, избыток вещества легко выпадает в осадок. Обычно пересыщенный раствор получают охлаждением раствора, насыщенного при более высокой температуре (пересыщение).

Растворимость выражается концентрацией растворённого вещества в его насыщенном растворе при определенной температуре (обычно 20^оС) и может быть выражена в г/100 г или 1л растворителя (коэффициент растворимости вещества, Р), моль/л (молярная растворимость, s). Табличные величины. Р(NaCl) = 36г/100г воды или 360г/1 л воды, s(NaCl) = 6,154 моль/л.

s(моль/л) = Р(г/л)/М_{раств. в-ва}

Теория растворов была была создана и обоснована Д.И. Менделеевым в 1887г. Согласно этой теории растворение – сложный физико-химический процесс взаимодействия атомов (молекул) растворителя и растворённого вещества. При растворении межфазная граница исчезает, при этом многие физические свойства раствора (например, плотность, вязкость, иногда — цвет) меняются. В случае химического взаимодействия растворителя и растворённого вещества сильно меняются и химические свойства — например, при растворении газа хлороводорода в воде образуется жидкая соляная кислота. Растворение сопровождается изменением энтальпии (∆Н) и энтропии (∆S). Процесс растворения может быть экзотермическим (∆Н<0) и эндотермическим (∆Н>0). Увеличение энтропии сопровождает растворение твёрдых веществ (∆S>0), а её уменьшение происходит при растворении газов (∆S<0). Продукты взаимодействия растворителя и растворенного вещества называются – сольваты (если растворитель вода – гидраты). Гидраты, выделенные из водных растворов называются – кристаллогидраты (CuSO₄∙5Н₂О - медный купорос, Na₂SO₄∙10H₂O - глауберова соль, CaSO₄∙H2O- гипс).

Содержание растворенного вещества в растворе может быть выражено либо безразмерными единицами – долями, либо величинами размерными – концентрациями.

Основными способами выражения содержания растворенного вещества являются:

1. Массовая доля (ω) — отношение массы растворённого вещества (m₁₎ к массе раствора (m). Массовая доля измеряется в долях или в процентах:

Например, 15% раствор хлорида натрия – это такой раствор, в 100 г которого содержится 15 г NaCl и 85 г воды.

2. Мольная доля (Ni) - отношение числа молей данного вещества (n₁) к общему числу молей всех веществ (n₁, n₂), имеющихся в растворе:

N₁=n₁/(n₁+n₂)

Безразмерная величина.

3. Молярная концентрация, или молярность(С_М) – число моль (n₁) растворенного вещества к объему раствора в литрах (V): 

С_М = n₁/V

или С_М = m₁/М₁∙V

где m₁ – масса растворенного вещества, М₁ – молярная масса растворенного вещества.

Например, 2М H₂SO₄ обозначает раствор серной кислоты, в каждом литре которого содержится два моля H₂SO₄ (196 г) или См (H₂SO₄) = 2 моль/л.

4. Моляльная концентрация, или моляльность (С_m) – отношение числа молей растворенного вещества (n₁) к массе растворителя в килограммах (m₂):

С_m = n₁/m₂

или С_m = m₁/М₁∙ m₂

где m₁ – масса растворенного вещества, М₁ – молярная масса растворенного вещества.

Например, 2m H₂SO₄ обозначает раствор серной кислоты, в котором на 1 кг (1000 г) воды приходится два моля H₂SO₄ (196 г) или Сm(H₂SO₄) = 2 моль/кг.

5. Молярная концентрация эквивалентов, или эквивалентная концентрация, или нормальность (Сн, С_N, N) – отношение числа эквивалентов (n_экв1) растворенного вещества к объему раствора в литрах (V):

С_N = n_экв1/V

или С_N = m₁/М_экв1∙V

где m₁ – масса растворенного вещества, М_экв1 – молярная масса эквивалента растворенного вещества.

Например, 2н. H₂SO₄ обозначает раствор серной кислоты, в каждом литре которого содержится два эквивалента H₂SO₄ (98 г) или С_N(H₂SO₄) = 2 моль/л.

Пользуясь растворами, концентрация которых выражена нормальностью, легко заранее рассчитать, в каких объемных отношениях они должны быть смешаны, чтобы растворенные вещества прореагировали без остатка:

С_Н1V₁= С_Н2V₂,

где С_Н1, С_Н2 – молярные концентрации эквивалента (моль) растворенного вещества 1 и 2 соответственно; V₁, V₂ – объемы растворов (л) 1 и 2 соответственно. Таким образом, объемы растворов реагирующих веществ обратно пропорциональны их нормальностям.