Коллоквиумы и экзамены / Коллоквиум 2

1.Дисперсные системы. Коллоидные растворы.

Чистое вещество в природе встречается довольно редко. Большинство из них не являются гомогенными, а состоят из смеси различных атомов и молекул. В статье мы поговорим о том, как вещества могут быть распределены в другом веществе и, при этом не смешиваться, дадим определение этому явлению.

Дисперсная система – это гетерогенная структура, где мельчайшие частицы одного вещества равномерно распределены в другом веществе, при этом они не смешиваются и не контактируют химически. Компонент, который занимает больший объем, имеет название «среда». Компонент, имеющий меньший объем обозначается термином «дисперсная фаза». Частицы фазы и среда имеют между собой поверхность

раздела. Именно поэтому дисперсные системы являются неоднородными, то есть гетерогенными.

Дисперсными называются частицы размером от 1 нм до 10 мкм.

Дисперсные системы (фазы и дисперсные частицы) могут иметь любое агрегатное состояние: жидкое, твердое, газообразное. Окружающий нас мир состоит из множества дисперсных систем. Примером может служить почва, морская

вода, продукты и многое другое.

В дисперсной системе фаз может быть больше двух. В таком случае отделяют их друг от друга с помощью сепарирования, центрифугирования.

Классификация дисперсных систем

Как известно, дисперсные системы могут находится в трех агрегатных состояниях. Сочетания этих состояний позволяют выделить 9 видов двухфазных дисперсных систем (3 агрегатных состояния фаз и три агрегатных состояния среды). Рассмотрим таблицу «Дисперсная система»:

По наличию или отсутствию взаимодействия между частицами дисперсной фазы можно выделить два вида дисперсных систем: свободнодисперсные системы. Сюда относятся коллоидные растворы, суспензии, взвеси, разнообразные растворы, для которых характерна текучесть. связнодисперсные системы. Сюда относятся структурированные системы, которые имеют свойства полутвердого тела. Например, если у золей некоторых веществ понизить температуру или увеличить концентрацию, то они утратят свою текучесть. Также в эту группу относятся концентрированные пасты, аморфные осадки.

Коллоидные системы

Коллоидные системы — это такие дисперсные системы, в которых размер частиц фазы от 100 до 1 нм. Эти частицы не видны невооруженным глазом, и дисперсная фаза и дисперсионная среда в таких системах отстаиванием разделяются с трудом.

Их подразделяют на золи (коллоидные растворы) и гели (студни).

1. Коллоидные растворы, или золи. Это большинство жидкостей живой клетки (цитоплазма, ядерный сок — кариоплазма, содержимое органоидов и вакуолей) и живого организма в целом (кровь, лимфа, тканевая жидкость, пищеварительные соки, гуморальные жидкости и т. д.). Такие системы образуют клеи, крахмал, белки, некоторые полимеры.

Коллоидные растворы внешне похожи на истинные растворы. Их отличают от последних по образующейся «светящейся дорожке» — конусу при пропускании через них луча света.

Это явление называют эффектом Тиндаля. Более крупные, чем в истинном растворе, частицы дисперсной фазы золя отражают свет от своей поверхности, и наблюдатель видит в сосуде с коллоидным раствором светящийся конус. В истинном

растворе он не образуется. Аналогичный эффект, но только для аэрозольного, а не жидкого коллоида, вы можете наблюдать в кинотеатрах при прохождении луча света от киноаппарата через воздух кинозала.

Частицы дисперсной фазы коллоидных растворов нередко не оседают даже при длительном хранении из-за непрерывных соударений с молекулами растворителя за счет теплового движения. Они не слипаются и при сближении друг с другом из-за наличия на их поверхности одноименных электрических зарядов. Но при определенных условиях может происходить процесс коагуляции.

Коагуляция — явление слипания коллоидных частиц и выпадения их в осадок — наблюдается при нейтрализации зарядов этих частиц, когда в коллоидный раствор добавляют электролит. При этом раствор превращается в суспензию или гель. Некоторые органические коллоиды коагулируют при нагревании (клей, яичный белок) или при изменении кислотно-щелочной среды раствора.

2. Гели, или студни, представляющие собой студенистые осадки, образующиеся при коагуляции золей. К ним относят большое количество полимерных гелей, столь хорошо известные кондитерские, косметические и медицинские гели (желатин, холодец, желе, мармелад) и конечно же бесконечное множество природных гелей: минералы (опал), тела медуз, хрящи, сухожилия, волосы, мышечная и нервная ткани и т. д. Со временем структура гелей нарушается — из них выделяется вода. Это явление называют синерезисом.

Растворы Раствором называют гомогенную систему, состоящую из двух и более

веществ.9+ Растворы всегда однофазны, то есть представляют собой однородный газ,

жидкость или твердое вещество. Это связано с тем, что одно из веществ распределено в массе другого в виде молекул, атомов или ионов (размер частиц менее 1 нм).

Растворы называют истинными, если требуется подчеркнуть их отличие от коллоидных растворов.

Растворителем считают то вещество, агрегатное состояние которого не изменяется при образовании раствора. Например, вода в водных растворах поваренной соли, сахара, углекислого газа. Если же раствор образовался при смешении газа с газом, жидкости с жидкостью и твердого вещества с твердым, растворителем считают тот компонент, которого больше в растворе. Так, воздух — это раствор кислорода, благородных газов, углекислого газа в азоте (растворитель). Столовый уксус, в котором содержится от 5 до 9% уксусной кислоты, представляет собой раствор этой кислоты в воде (растворитель — вода). Но в уксусной эссенции роль растворителя играет уксусная кислота, так как ее массовая доля составляет 70— 80%, следовательно, это раствор воды в уксусной кислоте.

При кристаллизации жидкого сплава серебра и золота можно получить твердые растворы разного состава.

Растворы подразделяют на:

•молекулярные — это водные растворы неэлектролитов — органических веществ (спирта, глюкозы, сахарозы и т. д.);

•молекулярно-ионные — это растворы слабых электролитов (азотистой, сероводородной кислот и др.);

• ионные — это растворы сильных электролитов (щелочей, солей, кислот —

NaOH, K2S04, HN03, НС1О4).

Раньше существовали две точки зрения на природу растворения и растворов: физическая и химическая. Согласно первой растворы рассматривали как механические смеси, согласно второй — как нестойкие химические соединения частиц растворенного вещества с водой или другим растворителем. Последняя теория была высказана в 1887 г. Д. И. Менделеевым, который посвятил исследованию растворов более 40 лет. Современная химия рассматривает растворение как физико-химический процесс, а растворы как физико-химические системы.

Более точное определение раствора таково:

Раствор — гомогенная (однородная) система, состоящая из частиц растворенного вещества, растворителя и продуктов их взаимодействия.

Поведение и свойства растворов электролитов, как вы хорошо знаете, объясняет другая важнейшая теория химии — теория электролитической диссоциации, разработанная С. Аррениусом, развитая и дополненная учениками Д. И. Менделеева, и в первую очередь И. А. Каблуковым.

2.Растворение как физико - химический процесс.

Физический процесс растворения заключается в разрушении межмолекулярных и меж ионных химических связей, кристаллической решётки, что сопровождается поглощением энергии – эндотермический процесс, а так же идёт распределение частиц растворённого вещества между молекулами растворителя (диффузия).

Химический процесс растворения заключается во взаимодействии частиц растворённого вещества с молекулами растворителя, что сопровождается выделением энергии – экзотермический процесс.

Таким образом, в целом процесс растворения веществ сопровождается выделением или поглощением энергии. Если на разрушение химических связей затрачивается больше энергии, чем её выделяется при взаимодействии частиц растворённого вещества с молекулами растворителя, то в процессе растворения энергия поглощается и наоборот. Например, с поглощением энергии идёт процесс растворения нитратов калия и аммония, хлорида натрия. С выделением энергии растворяется серная кислота, безводный сульфат меди (II), гидроксиды натрия, калия и др. вещества.

В зависимости от величины частиц растворённого вещества различают взвеси, истинные растворы и коллоидные растворы.

Взвеси – это грубо дисперсные системы. Они неоднородны. Частицы растворённого вещества можно увидеть не только в микроскоп, но и невооружённым глазом. Взвеси делятся на суспензии и эмульсии.

Суспензии – это дисперсные системы, где дисперсной фазой является твёрдое вещество, а дисперсионной средой – жидкость, причём твёрдое вещество нерастворимо в жидкости.

Например, глина, песок, мел в воде. Со временем частички, образующие взвесь, осаждаются, причём, чем они меньше, тем дольше сохраняется суспензия

Эмульсии – это дисперсные системы, в которых дисперсная фаза и дисперсионная среда являются взаимно не смешивающимися жидкостями (нефть и нефтепродукты в воде, масло в воде). Со временем эмульсия расслаивается.

Частицы растворённого вещества из суспензий и эмульсий можно отделить отстаиванием и фильтрованием.

Коллоидные растворы занимают промежуточное положение между истинными растворами и взвесями. Это тонкодисперсные однородные системы. Такие частицы способны рассеивать свет, и их можно увидеть в ультрамикроскоп.

3.Растворимость веществ. Состав растворов.

При растворении веществ образуются насыщенные и ненасыщенные растворы. Насыщенный раствор — это раствор, который содержит максимальное количество растворяемого вещества при данной температуре. Ненасыщенный раствор — это раствор, который содержит меньше растворяемого вещества, чем насыщенный при данной температуре.

Количественной характеристикой растворимости является коэффициент растворимости. Коэффициент растворимости показывает, какая максимальная масса вещества может раствориться в 1000 мл растворителя при данной температуре(г/л).

По растворимости в воде вещества делят на 3 группы (растворимые, малорастворимые и нерастворимые). Растворимость веществ зависит от природы растворителя, от природы растворенного вещества, температуры, давления (для газов). Растворимость газов при повышении температуры уменьшается, при повышении давления — увеличивается. Зависимость растворимости твердых веществ от температуры показывают кривые растворимости. Растворимость многих твердых веществ увеличивается при повышении температуры.

По кривым растворимости можно определить:

1)коэффициент растворимости веществ при различных температурах;

2)массу растворенного вещества, которое выпадает в осадок при охлаждении раствора от t1oC до t2oC. Процесс выделения вещества путем испарения или охлаждения его насыщенного раствора называется перекристаллизацией. Перекристаллизация используется для очистки веществ.

Раствор — это однородная смесь, в которой компоненты равномерно смешались. Есть несколько их видов по размеру частиц: грубодисперсные системы, молекулярные растворы и коллоидные системы, которые часто называют золи. В этой статье речь идет

омолекулярных (или истинных) растворах. Растворимость веществ в воде — одно из главных условий, влияющих на образование соединений.

Раствор, в котором данное вещество при данной температуре больше не

растворяется, (т. е., раствор, находящийся в равновесии с растворяемым веществом), называется насыщенным (всякая жидкость над осадком есть насыщенный раствор).

Раствор, в котором при данной температуре можно ещё растворить добавочное количество данного вещества, называется ненасыщенный. (раствор, который содержит меньшее количество растворённого вещества, чем в насыщенном растворе при тех же условиях).

Раствор, содержащий больше растворённого вещества, чем его должно быть в данных условиях в насыщенном растворе, называется пересыщенным. Такие растворы представляют собой неустойчивые, неравновесные системы, в которых наблюдается самопроизвольный переход в равновесное состояние. При этом выделяется избыток растворённого вещества (кристаллизация), и раствор становится насыщенным.

Насыщенные и ненасыщенные растворы нельзя путать с разбавленными и концентрированными растворами.

Степень диссоциации электролита определяется опытным путем и выражается в долях единицы или в процентах. Если α = 0, то диссоциация отсутствует, а если α = 1 или 100%, то электролит полностью распадается на ионы. Если же α = 20%, то это означает, что из 100 молекул данного электролита 20 распалось на ионы.

Степень диссоциации зависит от природы электролита и растворителя, от концентрации электролита, температуры.

1.Зависимость степени диссоциации от природы: чем полярнее химическая связь

вмолекуле электролита и растворителя, тем сильнее выражен процесс диссоциации электролита на ионы и тем выше значение степени диссоциации.

2.Зависимость степени диссоциации от концентрации электролита: с уменьшением концентрации электролита, т.е. при разбавлении его водой, степень диссоциации всегда увеличивается.

3.Зависимость степени диссоциации от температуры: степень диссоциации возрастает при повышении температуры (повышение температуры приводит к увеличению кинетической энергии растворённых частиц, что способствует распаду молекул на ионы).

В зависимости от степени диссоциации различают электролиты сильные и слабые. Электролиты со степенью диссоциации больше 30% обычно называют сильными, со степенью диссоциации от 3 до 30% — средними, менее 3% — слабыми электролитами.

Сильные электролиты при растворении в воде практически полностью диссоциируют на ионы. У таких электролитов значение степени диссоциации стремится к единице в разбавленных растворах.

Слабые электролиты при растворении в воде почти не диссоциируют на ионы. У таких электролитов значение степени диссоциации стремится к нулю.

6. Теория сильных электролитов. Истинная и кажущаяся степень диссоциации сильных электролитов.

Сильные электролиты полностью диссоциируют на ионы. В водных растворах сильных электролитов существуют простые или сольватированные катионы и анионы. Это подтверждается современными физическими и физико-химическими исследованиями. Однако опытным путем найдено, что электропроводность водных растворов сильных электролитов не эквивалентна той электропроводности, которую можно было бы ожидать при 100%-ной диссоциации молекул на ионы. Такое несоответствие объясняется теорией сильных электролитов, предложенной Дебаем и Хюккелем. Согласно этой теории, в растворах сильных электролитов между ионами существует электростатическое взаимодействие. Каждый ион окружен ионной атмосферой из противоионов. Ионная атмосфера тормозит движение ионов в электрическом поле, в результате чего создается эффект неполной диссоциации сильного электролита.

Мерой электростатического взаимодействия ионов является ионная сила раствора μ, равная полусумме произведений квадрата заряда каждого из присутствующих в растворе ионов на его концентрацию.

В связи с влиянием ионной силы раствора та концентрация, согласно которой ион действует в растворе, называется активной концентрацией (активностью):

Коэффициент активности может быть рассчитан в зависимости от ионной силы или взят из справочной литературы

Активность необходимо использовать при расчете любого химического равновесия, если в системе находится сильный электролит, концентрация которого больше 1.10-4 моль/л

Суть диссоциации сильных электролитов заключается в том, что они диссоциируют полностью, необратимо:

AB = A+ + B-.

Истинная степень диссоциации сильных электролитов равна всегда 100 % (1,0 доли ед. )

Врастворах сильных электролитов ионов очень много (особенно при повышенных концентрациях). Отсюда две особенности растворов сильных электролитов:

· расстояния между ионами очень малы, иногда всего в 2-3 раза больше, чем в кристаллической решетке;

· количество ионов электролита соизмеримо с количеством молекул воды, и поэтому не все ионы могут быть гидратированы молекулами воды.

Всилу этих двух особенностей каждый ион в растворе сильного электролита окружён ионами противоположного заряда, так называемой, "ионной атмосферой".

Ионная атмосфера приводит к тому, что между ионами разных зарядов возникают силы притяжения, а между ионами одного заряда - силы отталкивания. Поскольку все ионы равноценны, то любой из них можно считать центральным в его ближайшем окружении, то – есть ионной атмосфере

Понятием ионной атмосферы объясняют поведение ионов в растворе сильных электролитов. В растворах сильных электролитов ионы мешают друг другу принимать участие в физических и химических процессах. Кажущаяся степень диссоциации (αкаж.) отражает то количество активных ионов, которые принимают участие в химических и физических процессах. Поэтому αкаж. всегда меньше 100 % (1,0)

Под активностью понимается та часть ионов, которая приняла участие в физических и химических процессах, то - есть понятно, что активность всегда меньше концентрации. Поэтому αкаж< αист.

Активность и концентрация связаны между собой коэффициентом активности γ a = γ .c.

Коэффициент активности - отношение экспериментальной величины к теоретической:

γ = экспериментальная величина/теоретическая величина.

Вслучае разбавленных растворов (для CB< 0,1М) коэффициент активности близок к единице, поэтому для разбавленных растворов сильных электролитов можно пользоваться понятием концентрации.

Если же растворы концентрированные, приходится пользоваться понятием активности.

Коэффициент активности раствора электролитов равен средней геометрической величине активности образовавших его ионов.

Так, для электролитов An Bm:

Кажущаяся степень диссоциации учитывает активные ионы, принявшие участие в физических и химических процессах.

Истинная степень диссоциации сильных электролитов всегда равна 1,0, кажущаяся степень диссоциации возрастает с повышением температуры раствора и понижением концентрации раствора.

Кажущаяся степень диссоциации связана с изотоническим коэффициентом соотношение.

αкаж. = i-1 / n-1,

где n - количество ионов, на которые диссоциирует данный электролит.

7. Константа диссоциации слабых электролитов. Закон разбавления Оствальда.

Константа равновесия диссоциации слабого электролита называется константой диссоциации (К). Величина К зависит от природы электролита и растворителя, а также от температуры. Термодинамическая константа диссоциации, выраженная через активность ионов и молекул, не зависит от концентрации. Вычисленная практическая константа диссоциации (К) может изменяться с изменением концентрации. Поэтому для сравнения значения практической константы диссоциации со справочным при заданной температуре, рассчитанные для разных концентраций, усредняются.

Константа диссоциации характеризует способность данного электролита распадаться на ионы в растворе. Чем больше К, тем полнее диссоциирует электролит в растворе.

С изменением концентрации слабого электролита его степень диссоциации изменяется таким образом, что значение константы диссоциации остается постоянным.

Математически зависимость между степенью диссоциации, константой диссоциации и концентрацией раствора выражается законом разбавления Оствальда.

Закон Оствальда:

С увеличением разведения (уменьшением концентрации электролита) степень диссоциации электролита возрастает.

8. Основания, кислоты и соли с точки зрения теории электролитической диссоциации.

Основания. С точки зрения теории электролитической диссоциации основанияэто вещества, диссоциирующие в водном растворе с образованием анионов одного вида

-гидроксид - ионов ОН-.

Вобщем виде уравнение электролитической диссоциации основания имеет вид: Основание -> Катион основания + Гидроксид - ион

Кислоты. С точки зрения теории электролитической диссоциации кислоты-это вещества, диссоциирующие в водном растворе с образованием катионов одного вида - катионов водорода Н+.

В общем виде уравнение электролитической диссоциации кислоты имеет вид:

Кислота -> Катион водорода + Анион кислотного остатка Соли. С точки зрения теории электролитической реакции соли - это вещества,

которые в водном растворе диссоциируют с образованием катионов основания и анионов кислотного остатка.

В общем виде уравнение электролитической диссоциации солей имеет следующий вид:

Соль -> Катион основания + Анион кислотного остатка

9. Диссоциация воды. Константа диссоциации, ионное произведение воды. Водородный показатель. Понятие об индикаторах.

Тщательно очищенная от посторонних примесей вода обладает определенной, хотя и незначительной электрической проводимостью, заметно возрастающей с повышением температуры. Так, при 273 К удельная электрическая проводимость воды составляет 1,5 • 10-8 Ом-1 • см-1, при 289 К - 6,2 • 10-8 Ом-1 • см-1.

Наличие электрической проводимости может быть объяснено только тем, что молекулы воды, частично распадаются на ионы, Н2О является слабым электролитом. Процесс диссоциации воды может быть записан: Н2О + Н2О « Н3О++ ОН-

Этот процесс называется самоионизацией или автопротолизом. Реакцию воды часто записывают в более простом виде: Н2О « Н++ ОН-

Константа диссоциации воды может быть вычислена по уравнению: Кд = αН+ αОН-/ αН2О

Учитывая, что при комнатной температуре на ионы распадается лишь одна из примерно 108 молекул воды, активности ионов в уравнении могут быть заменены их концентрациями, а концентрацию нераспавшихся молекул воды можно считать равной общей концентрации молекул воды. Концентрацию молекул можно рассчитать, разделив массу 1 л воды на массу ее моля: 1000/18 =55,5 моль/л. Считая эту величину постоянной, можно уравнение записать в виде: [Н+][ОН-] = Кд 55.5 = Кв где, Кв — ионное произведение воды . Так как в соответствии с уравнением диссоциации концентрации ионов Н+ и ОН- в воде одинаковы, их можно определить, зная ионное произведение воды. При 295 К ионное произведение воды равно 10-14 . Отсюда [Н+] = [ОН-] = ÖКв = 10-7 моль/л

Диссоциация воды - процесс эндотермический, поэтому константа Кв сильно зависит от температуры.

При расчетах, связанных с водными растворами электролитов, используют не концентрации, а активности ионов: Кв = αН+ αОН-

Как всякая константа равновесия, константа К, не зависит от активностей ионов Н+ и ОН- в растворе. Так, если в воду добавить кислоты, активность ионов Н+ резко возрастет. Тогда за счет подавления диссоциации воды равновесие этого процесса сместится влево и активность ионов ОН- в растворе уменьшится, но ионное произведение воды останется неизменным.

Таким образом, в водных растворах активность ионов Н+ и ОНпри постоянной температуре связаны между собой. Достаточно указать активность одного из них, чтобы определить активность другого, -. пользуясь выражением Кв = αН+ αОН-.