Тема 6. Растворы.

Концентрация растворов

Раствором называется твердая или жидкая гомогенная (однородная) система, состоящая из двух или более компонентов.

Необходимыми компонентами раствора являются растворитель и растворенное вещество, например, растворенный в воде сахар.

В одном растворителе может находиться несколько растворенных веществ. Например, в воде растворены сахар, соль и уксусная кислота.

Количество растворенного вещества в определенном количестве раствора или растворителя, которое может колебаться в очень широких пределах, называется концентрацией раствора.

Существует несколько способов выражения концентрации растворов.

1. Массовая концентрация (Р) – это растворенное вещество, выраженное в граммах, содержащееся в 100 граммах раствора:

где х_г – масса растворенного вещества; у_г – масса растворителя; (х + у)_г – масса раствора.

Масса раствора может быть выражена произведением плотности раствора на его объем:

отсюда

.

Например, 5%-ный раствор означает:

5 г (х) содержится в 100 г (х + у)

или

5 г (х) содержится в 95 г (у).

2. Молярная концентрация (С_В) – это количество моль растворенного вещества, в 1дм³ раствора:

.

Например, запись: 0,2М НСl означает, что 0,2 моль НСl растворено в 1 дм³ раствора.

3. Эквивалентная (нормальная) концентрация (С_Э или С_Н) – это количество моль эквивалента растворенного вещества в 1 дм³ раствора:

 

 Например, запись: 0,5Н   Н₂SO₄ означает, что 0,5 моль эквивалента серной кислоты содержится в 1дм³ раствора.

Под эквивалентом элемента понимают также его количество, которое соединяется с одним молем атомов водорода или замещает то же количество атомов водорода в химических реакциях.

Например, в соединениях НСl, H₂S, NH₃ эквивалент хлора, серы и азота равен соответственно 1 моль, 1/2 моль, 1/3 моль.

Молярная масса эквивалента кислоты – это частное деление молярной массы кислоты на количество ионов водорода, участвующих в реакции:

.

Молярная масса эквивалента гидроксида – это частное деление молярной массы гидроксида на количество гидроксид-ионов, участвующих в реакции:

.

Молярная масса эквивалента соли – это частное деление молярной массы соли на произведение валентности металла соли на количество его частиц в формуле соли:

.

4. Моляльная концентрация (С_M) – это количество моль растворенного вещества в кг растворителя.

.

5. Титр раствора (T) – это растворенное вещество, выраженное в граммах, в 1см³ раствора:

.

Закон эквивалентов

Если два раствора взаимодействуют между собой в эквивалентных количествах, то зная концентрацию одного из растворов и прореагировавшие объемы обоих растворов, можно рассчитать неизвестную концентрацию второго раствора по соотношению:

.

Пример решения задачи

Дан раствор серной кислоты концентрацией 10%. Плотность данного раствора равна 1,075г/см³.

Рассчитать моляльную, молярную, эквивалентную концентрацию раствора и его титр.

Решение. Рассчитаем моляльную концентрацию:

.

Рассчитаем молярную концентрацию. Для этого произвольно выберем объем раствора.

Пусть V = 1 дм³, тогда:

.

  .

Отсюда

.

Рассчитаем эквивалентную концентрацию:

.

Рассчитаем титр раствора:

Основными законами растворов являются законы Рауля и Вант – Гоффа. Эти законы являются коллигативными, то – есть зависят не только от концентрации растворов, но и от количества частиц в них.

Понижение давления насыщенного пара над раствором (Первый закон Рауля)

Любая жидкость испаряется

Давление пара в состоянии равновесия называется давлением насыщенного пара. При данной температуре давление насыщенного пара над каждой жидкостью есть величина постоянная. Обозначим его как Р_А.

Примем, что любая жидкость может служить растворителем. Любое растворённое вещество (твёрдое) теоретически тоже испаряется и, следовательно, имеет давление насыщенного пара. Обозначим его как Р_B.

Если твёрдое вещество нелетучее, то практически величина давления его насыщенного пара равна нулю.

Если раствор состоит из двух жидкостей, то растворителем считается та жидкость, у которой давление насыщенного пара выше.

Таким образом всегда Р_А > Р_B.

Давление насыщенного пара раствора (Р) представляет собой сумму парциальных давлений его компонентов:

1. P = Р_А N_А + Р_B N_B,

где N_А и N_B – мольные доли растворителя и растворённого вещества, соответственно.

Если растворённое вещество – твёрдое, нелетучее, у которого Р_B = 0, то выражение Р_B N_B также равно нулю. Следовательно:

2. P = Р_А N_А.

Для двухкомпонентного раствора:

3. N_А+ N_B = 1.

4. Примем : N_А = 1- N_B.

Преобразуем выражение (2):

P – Р_А = - Р_А N_B.

Поскольку из вышесказанного видно, что Р < Р_А, то обе части последнего равенства имеют знак (-). Чтобы избавится от минуса, умножим обе части равенства на (-1) и получим:

Р_А – P = Р_А N_B.

5. ΔP = Р_АN_B.

Величина ΔP является абсолютным понижением давлением насыщенного пара над раствором по сравнению с растворителем.

В химии принято относительное понижение давления насыщенного пара над раствором, которое равно мольной доле растворённого вещества:

6. ΔP / Р_А = N_B.

Кипение и замерзание растворов (Второй закон Рауля)

Второй закон Рауля определяет изменение температуры кипения и замерзания растворов по сравнению с чистыми растворителями.

Данный растворитель закипает при той температуре, при которой давление его насыщенного пара достигает атмосферного

.

Раствор закипает при более высокой температуре, так как концентрация молекул растворителя в нём всегда ниже, чем в чистом растворителе, и давление насыщенного пара раствора достигает атмосферного при более высокой температуре.

Температура замерзания (кристализации) раствора ниже температуры замерзания чистого растворителя. Это обусловлено более низким давлением пара растворителя над раствором, чем над растворителем.

Второй закон Рауля определяет, чему равно изменение температуры кипения и замерзания растворов.

Изменение температуры кипения и замерзания растворов пропорционально моляльной концентрации растворов

Δt⁰_{кипения} = К_э С_м,

Δt⁰_{замерзания} = К_к С_м.

Рассмотрим коэффициенты пропорциональности :

К_э – эбуллиоскопическая константа, К_к – криоскопическая константа.

Каждый растворитель имеет свои значения К_э и К_к .

Эбулеоскопические и криоскопические константы некоторых растворителей приведены в табл.1.

Таблица 1

Растворитель	Кэ	Кк
H2O	0,53 0c	1,86 0c
C6H6	2,57 0c	5,02 0c

Вывод: изменение температуры кипения и замерзания растворов зависит от природы растворителя концентрации раствора.

Физический смысл этих констант заключается в том, что при концентрации раствора, равной 1 моль/кг, данные константы равны изменению температуры кипения или замерзания данного раствора.

В отличие от чистых растворителей, которые кипят и замерзают при постоянной температуре, растворы кипят и замерзают в некотором интервале температур.

Закон Вант - Гоффа

Закон Вант – Гоффа определяет величину осмотического давления раствора.

Чтобы ознакомиться с понятием осмоса, рассмотрим сосуд, разделённый на две части полупроницаемой мембраной.

Полупроницаемая мембрана – перегородка, через которую проникают молекулы растворителя, но не проходят частицы растворённого вещества.

Осмос представляет собой самопроизвольное одностороннее перемещение молекул растворителя через полупроницаемую мембрану из той части системы, где концентрация растворителя выше, в ту часть системы, где его концентрация ниже.

Определение осмотического давления растворов производится следующим образом. Во внешний сосуд наливается чистая вода, стенки внутреннего сосуда представляют собой полупроницаемую мембрану. Внутренний сосуд снабжен оттянутой горловиной и мерительной линейкой. Во внутреннем сосуде находится какой - либо раствор, например, сахара.

В силу осмоса молекулы воды из внешнего сосуда через полупроницаемые стенки будут проходить во внутренний, движение молекул в этом приборе только одностороннее.

Таким образом, объём раствора во внутреннем сосуде увеличивается и поднимается по оттянутой горловине. В результате разницы в уровнях жидкостей во внешнем и внутреннем сосудах в приборе возникает гидростатическое давление. Это давление препятствует осмосу.

Величина гидростатического давления, при которой осмос прекращается, называется осмотическим давлением раствора. (Р_{осмотическое,} кПа )

Р_{осмотическое} = RTC_B кПа, где

R – универсальная газовая постоянная 8,31 Дж/моль, T – абсолютная температура, K, C_B – молярная концентрация раствора