Подготовка к семинару

СЕМИНАР

1. Понятие растворов. Классификация растворов.

Растворы – это гомогенные смеси двух или нескольких веществ, содержание каждого из компонентов, в которых может непрерывно изменяться.

Растворы бывают:

1. Жидкое – растворение двух жидкостей или растворение газа или твердого тела в данной жидкости.

2. Твердый раствор – однородные системы, состоящие из двух и более твердых компонентов.

3. Газообразное (смесь газов) – могут смешиваться при не слишком высоких давлениях в любых соотношениях независимо от своей химической природы.

Взаимная растворимость веществ зависит от их природы. Опытным путем установлено, что вещества лучше растворяются в тех растворителях, которые химически им подобны. Это обобщение часто формулируется в виде более простой формулы: подобное растворяется в подобном. Не все вещества могут быть растворены: ковалентные твердые вещества типа алмаза или кварца не растворяются ни в полярных , ни в неполярных растворителях.

Насыщенный раствор – раствор, который при данной температуре находится в равновесии с избытком растворенного вещества. Скорость растворения вещества равна скорости обратного процесса, скорости кристаллизации. Если концентрация раствора меньше концентрации насыщенного раствора, то он называется ненасыщенным. При медленном охлаждении насыщенных растворов удается получить пересыщенные растворы, в которых содержится больше растворенных веществ чем в насыщенных.

Растворимость - это количество вещества в г или молях в насыщенном растворе отнесенное к массе в г или объему растворителя в литрах называется растворимостью.

Растворимость твердых веществ. 1.В воде растворимы все нитраты, все ацетаты, нитриты, хлораты, все хлориды, бромиды, иодиды за исключением солей серебра, Pb, одновалентной ртути, а также иодида двухвалентной ртути. В воде растворимы: все соли натрия, калия, аммония. В воде растворимы гидроксиды щелочных металлов, гидроксид аммония, гидроксиды бария кальция и стронция. 2.В воде нерастворимы соли металлов побочных подгрупп периодической таблицы следующих кислот: угольной, ортофосфорной, сернистой сероводородной и кремниевой,а также в воде нерастворимы гидроксиды всех металлов, за исключением металлов подгрупп 1А и 2А периодической таблицы.

Растворимость газов в жидкостях зависит от парциального давления газов над поверхностью растворов. Закон Генри: растворимость данного газа в жидкости прямо пропорциональна его давлению над жидкостью. Математическая формула этого закона: Сr =k*p(г), где Сr – растворимость газа в жидкости, p(г) – парциальное давление данного газа над раствором, k – коэффициент пропорциональности, называемой постоянной Генри. Особенность растворимости газов в жидкости является то, что это всегда экзотермические процессы, и согласно принципу Ле-Шателье повышение температуры ведет к снижению растворимости газов, а снижение температуры к увеличению растворимости.

Растворимость жидкостей в жидкостях. 2 особенности: 1) жидкость при достижении некоторой температуры называется критической температурой растворения, ограниченная растворимость переходит в неограниченную. 2) Взаимная растворимость жидкостей часто зависит от присутствия третьего компонента, Н₂О и этиловый спирт неограниченно растворимы друг в друге, но если в раствор ввести карбонат калия, то после его растворения образуются два слоя.

2. Способы выражения концентрации растворов.

Концентрацией раствора называется содержание растворенного вещества в определенной массе или известном объеме раствора или растворителя. Существует несколько способов выражения концентрации.

Массовая (процентная) концентрация С, % - отношение массы растворенного вещества к общей массе раствора, может быть выражена в долях единицы или в процентах. Массовая доля, выраженная в процентах, показывает, сколько граммов данного вещества содержится в 100 г раствора.

Молярная концентрация С_М, моль/л – отношение количества растворенного вещества (в молях) к объему раствора. Раствор, имеющий концентрацию 1 моль/л, называют молярным раствором и обозначают 1М раствор, соответственно при С_М = 0,05 моль/л раствор называют 0,05 М и т.д.

Молярная концентрация эквивалентов (нормальная концентрация или нормальность) С_н, моль/л – отношение количества вещества эквивалентов (моль) к объему раствора. Раствор, в одном литре которого содержится 1 моль эквивалентов вещества, называют нормальным и обозначают 1 н. или 1N. Соответственно могут быть 0,5 н. (0,5N), 0,01н. (0,01N) и т.п. растворы.

Моляльная концентрация (моляльность) С_m, моль/кг – отношение количества растворенного вещества (в молях) к массе (m) растворителя (в килограммах).

Титр раствора Т, г/мл – отношение массы растворенного вещества (в граммах) к объему раствора (в мл или в см³).

3. Законы Рауля, Следствие из законов Рауля.

Каждой жидкости при данной температуре соответствует определенное давление насыщенного пара р₀. С повышением температуры р₀ увеличивается. При растворении в жидкости какого-либо нелетучего вещества давление насыщенного пара растворителя над раствором становится ниже, чем над чистым растворителем при той же температуре. Причем понижение давления пропорционально концентрации раствора.

Относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором равно мольной доле растворенного вещества.

= N₂,

где

p₀ - давление насыщенного пара над чистым растворителем;

p - давление насыщенного пара растворителя над раствором;

N₂ - мольная доля растворенного вещества;

n₁ - число молей растворенного вещества;

n₂ - число молей растворителя.

Понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором нелетучего вещества приводит к повышению температуры кипения и понижению температуры замерзания раствора по сравнению с чистым растворителем, что находит отражение на диаграмме состояния растворителя. На рис.1.1 приведена диаграмма состояния воды и водного раствора нелетучего вещества. Согласно закону Рауля, давление водяного пара над водным раствором ниже, чем над водой. Температура кипения жидкости Т_кип - это температура, при которой давление насыщенного пара ее достигает атмосферного давления; для воды это 100^оС (при давлении 101,3 кПа или 1,013^.10⁵ Н/м²). Так как над раствором давление насыщенного пара растворителя ниже, для того чтобы раствор закипел, его надо нагреть до более высокой температуры, чем чистый растворитель. Поэтому кривая 4 кипения для раствора (см. рис 1.1.) лежит правее, чем (кривая 1) для воды. Кривая 3 соответствует изменению давления насыщенного пара над твердой водой (льдом) при переходе ее из твердого в газообразное состояние.

Следствия закона Рауля

1. Понижение температуры замерзания Т_зам и повышение температуры кипения Т_кип раствора неэлектролита прямо пропорциональны количеству вещества, растворенному в данном количестве растворителя.

2. Эквимолярные (т.е. содержащие одно и то же число молей) количества растворенных веществ, будучи растворены в одном и том же количестве данного растворителя, одинаково понижают температуру его замерзания и одинаково повышают температуру его кипения.

Понижение температуры замерзания, вызываемое растворением одного моля вещества в 1000 г растворителя, есть величина постоянная для данного растворителя. Она называется криоскопической константой K_к растворителя. Точно так же и повышение температуры кипения, вызываемое растворением одного моля вещества в 1000 г растворителя, называется эбулиоскопической константой K_э растворителя. Криоскопическая и эбулиоскопическая константы зависят только от природы растворителя.

Понижение температуры замерзания и повышение температуры кипения разбавленных растворов неэлектролитов пропорционально их моляльной концентрации:

Т_зам = K_к С_m ; Т_зам = K_{к ;}

Т_кип = K_эС_m ; Т_кип = K_э

где m – количество растворенного вещества, г;

g – количество растворителя, г;

M – мольная масса растворенного вещества, г/моль.

Приведенные формулы позволяют рассчитывать составы антифризов – растворов, не замерзающих до определенной температуры.

Исходя из приведенных соотношений очевидно, что при растворении в 1000 г данного растворителя 1 грамм-моля какого-либо неэлектролита Т_зам и Т_кип раствора будут одинаковыми независимо от природы растворенного вещества и равны:

Т_зам = K_к ; Т_кип = K_э .

Приведенные формулы (1.5.) дают возможность определять не только определять температуры кипения и замерзания растворов неэлектролитов по их концентрациям, а также рассчитывать молекулярную массу растворенного вещества по температуре кипения или замерзания его растворов:

М = K_{к ;} М = K_{э. (1.6)}

В растворах электролитов вследствие электролитической диссоциации суммарное число частиц (молекул и ионов) больше числа растворенных молекул, поэтому понижение температуры замерзания и повышение температуры кипения растворов электролитов больше, чем в растворе неэлектролита (при их одинаковой моляльной концентрации).

4. Осмос, осмотическое давление.

Осмос (от греч. osmos – толчок, давление), односторонний перенос растворителя через полупроницаемую перегородку (мембрану), отделяющую раствор от чистого растворителя или раствора меньшей концентрации. Обусловлен стремлением системы к термодинамическому равновесию и выравниванию концентраций раствора по обе стороны мембраны.

Осмотическое давление – это сила приходящееся на единицу поверхности и заставляющая проникать молекулы растворителя через полупроницаемую перегородку. Не зависит от природы растворителя и растворенного вещества. Р_осм=СRT.