6.3. Концентрация растворов

Процесс растворения тесно связан с диффузией. При внесении в растворитель, например в воду, какого-либо твёрдого вещества, его молекулы или ионы отщепляются от поверхностного слоя и в результате диффузии распределяются по всему объёму растворителя. Затем с поверхности отщепляется следующий слой молекул или ионов, которые, в свою очередь, распределяются во всём объёме, и т. д. Растворение должно было бы продолжаться подобным образом до полного перехода в раствор любого количества твёрдого вещества, если бы одновременно не происходил обратный процесс – выделение молекул или ионов из раствора. Находящиеся в непрерывном движении молекулы или ионы растворённой части вещества при столкновениях с поверхностью нерастворённой части вещества могут задержаться на ней и образовать новый поверхностный слой. Очевидно, что такое обратное выделение вещества будет происходить тем в большей степени, чем выше концентрация раствора. Однако по мере растворения вещества концентрация всё более возрастает и, наконец, достигает такой величины, при которой за единицу времени выделяется столько же вещества, сколько его переходит в раствор. Отвечающий этому равновесному состоянию раствор называется насыщенным: больше вещества при данных внешних условиях в нём раствориться уже не может. Поэтому равновесие в системе «растворяемое вещество – насыщенный раствор» является динамическим, а сама такая система при постоянных условиях может без видимых изменений существовать сколь угодно долгое время.

Раствор, концентрация которого меньше концентрации насыщенного раствора, является ненасыщенным (в раствор может при неизменных внешних условиях перейти ещё некоторое количество вещества). Часто пользуются и другими обозначениями: раствор, содержащий много растворённого вещества, называют крепким, содержащий мало растворённого вещества – разбавленным; очень крепкие растворы называют концентрированными. Однако эти обозначения не конкретно характеризуют концентрацию раствора.

Многие твёрдые вещества могут образовывать пересыщенные растворы – содержание растворённого вещества в них больше, чем соответствует его растворимости при данных условиях. Пересыщенный раствор может образовываться, например, в результате осторожного охлаждения раствора, насыщенного при более высокой температуре. Пересыщенные растворы, в отличие от насыщенных, являются системами неустойчивыми (метастабильными) и способны существовать только при отсутствии соприкасающейся с ними твёрдой фазы растворённого вещества.

6.4. Способы выражения концентрации растворов

Концентрация¹ – это величина (размерная или безразмерная), определяющая количественный состав раствора, смеси или сплава.

Концентрацией раствора называется содержание растворённого вещества в определённой массе или определённом объёме раствора или растворителя.

Способы выражения концентрации не учитывают, что происходит с данным веществом при растворении.

Молярная (мольно-объёмная) концентрация (молярность) называется число молей растворённого вещества В (с_В), содержащегося в 1 л раствора определяется как отношение количества этого вещества (n_В, моль²) к объёму раствора (V, л):

моль/л.

Допускается обозначать молярную концентрацию буквой М, например: 1 М – одномолярный раствор (1 моль в литре); 2 М – двумолярный раствор (2 моль в литре); 0,1 М – децимолярный раствор (0,1 моль в литре); 0,01 М – сантимолярный раствор; 0,001 М – миллимолярный раствор.

Молярная концентрация химического эквивалента (или эквивалентная концентрация, или нормальность; Н) называется число молей эквивалентов растворённого вещества В [n_экв(В), с_экв(B)], содержащихся в 1 л раствора, и определяется как отношение количества вещества его эквивалентов n_эквВ (моль) к объёму раствора V (л).

[моль/л].

Запись 0,01 н. КМnО₄ означает сантинормальный раствор КМnО₄.

Из приведённых соотношений следует, что

т. е. молярная концентрация эквивалентов растворённого вещества В в конкретной химической реакции в z_В раз больше его молярной концентрации.

Нормальная (или эквивалентная) концентрация. Нормальным (1 н.) называется раствор, содержащий в одном литре один моль химических эквивалентов растворённого вещества. В общем случае молярные (нормальные) массы химических эквивалентов находят, деля молярную массу электролита на число валентных связей между образующими его молекулу ионами. Например, нормальные массы НNО₃, Bа(ОН)₂ и Аl₂(SО₄)₃ соответственно равны М, М/2 и М/3, где Q = 3/2. Растворы с одинаковыми нормальными концентрациями электро-литов (например, щёлочь¹ и кислота) будут реагировать в равных объёмах.

При одинаковой нормальной концентрации растворов различные электролиты диссоциированы в разной степени. Например, хлорид натрия NаС1 построен из однозарядных ионов, а сульфат магния МgSО₄ – из двухзарядных (во втором случае силы притяжения между ионами должны быть больше).

Моляльную концентрацию растворённого вещества (моляльность) (моль/кг) В (с_m), определяют из отношения количества вещества В (n_В, моль) к массе растворителя (m_s, кг):

Запись 2с_m (НСl) означает, что в растворе на каждый килограмм растворителя приходится 2 моль хлороводорода (двумоляльный раствор).

Молярная доля растворённого вещества (доли единицы или %) В (х_В) равна отношению количества вещества В (n_В, моль) к суммарному количеству всех веществ, образующих раствор:

Массовая доля растворённого вещества (доли единицы или %) В (ω_В) – это отношение массы растворённого вещества m_В (г) к массе раствора m (г):

Массовая доля показывает, какую часть массы раствора составляет масса растворённого вещества. Если значение ω_В умножить на 100, то получится массовая доля, выраженная в процентах.

Концентрацию раствора иногда выражают также числом граммов растворённого вещества в определённом объёме раствора (плотность) или на определённый объём растворителя.

Концентрация насыщенного раствора численно определяет растворимость вещества при данных условиях (эти величины можно найти в справочниках). Растворимость веществ трудно предугадать, не всегда предсказуемо она изменяется при изменении температуры.

Для предсказания растворимости вещества можно руководствоваться принципом: подобное растворяется в подобном. Если молекулы растворителя неполярны или малополярны (например, бензол, эфир), он будет хорошо растворять вещества с неполярными или малополярными молекулами, хуже – вещества с большой полярностью молекул и практически не будет растворять вещества, построенные по ионному типу. Растворитель с сильно выраженным полярным характером молекул (например, вода) будет, как правило, хорошо растворять ионные вещества и вещества, образованные сильнополярными молекулами, и плохо растворять вещества, образованные неполярными или малополярными молекулами.

Полярность растворителя может быть охарактеризована величиной его диэлектрической проницаемости (ε), которая показывает, во сколько раз по сравнению с вакуумом (ε = 1) меньше притяжение или отталкивание между двумя расположенными в данной среде электрическими зарядами. Такое ослабление взаимодействия при прочих равных условиях тем больше, чем полярнее молекулы растворителя. Диэлектрические проницаемости жидкостей уменьшаются с повышением температуры.