Справочники / Врублевский А.И. Химия. Теоретический курс для подготовки к ЕГЭ

Эмульсия — смесь двух или более взаимно нерастворимых жидкостей (смесь масла или керосина с водой, молоко, сли­ вочное масло, краски). При отстаивании некоторых эмульсий происходит их расслоение (смесь подсолнечного масла и воды), многие эмульсии (особенно при добавлении специальных ста­ билизаторов — эмульгаторов) достаточно устойчивы (майонез, крем, масло, краски).

Пена — это смесь газа и жидкости (газированная вода, пиво, квас, шампуни, мыльная пена). Устойчивость обычных пен, как правило, невысока. Известны твердые пены — смеси газов и твердых веществ (газ + стекло, газ + алюминий). Твер­ дые пены обладают жестким каркасом, они очень устойчивы, имеют пористую структуру и малую плотность при высокой тепло- и звукоизолирующей способности (пенопласты, пори­ стые резины, пеногазобетон, пеностекла).

Аэрозоль — это взвесь жидких или твердых веществ в газах. Такие взвеси с жидкими частицами называются туманом, с твердыми частицами — пылью, с твердыми и жидкими —

дымом (смогом).

Растворы — однородные (гомогенные) устойчивые систе­ мы переменного состава, состоящие из двух или более ком­ понентов и продуктов их взаимодействия. Например, компо­ нентами раствора серной кислоты в воде будут Н2О и H2SO4, а продуктами их взаимодействия — гидратированные ионы Н+, HSOSO2?

Переменный состав раствора означает, что соотношение количеств веществ в растворе можно непрерывно менять в определенных пределах.

В любой точке объема состав раствора одинаковый, так как в растворе частицы растворенного вещества — это отдель­ ные молекулы или ионы, которые нельзя заметить даже с использованием микроскопа (такие растворы иногда называют истинными). Отметим также, что растворы образуются само­

произвольно, достаточно просто смешать вещество и раство­

ритель.

В растворе различают растворитель и растворенное веще­ ство (вещества). Растворителем считается компонент, который в индивидуальном состоянии (до смешивания) имеет то же агрегатное состояние, что и раствор, тогда как растворяемое вещество может быть твердым, жидким или газообразным. Если один из компонентов раствора — вода, то ее обычно и считают растворителем независимо от массовых соотношений веществ в растворе (например, раствор с массовой долей азот­ ной кислоты 65 % принято считать раствором азотной кисло­ ты в воде, а не наоборот). В других случаях при одинаковом агрегатном состоянии растворителем считают тот компонент, масса которого в растворе больше.

По агрегатному состоянию растворы делят на жидкие,

твердые и газообразные. Примерами твердых растворов яв­ ляются сплавы металлов, газообразных — воздух. Наиболее распространенные и важные в практическом отношении — жидкие растворы, среди которых различают водные (раство­ ритель — вода) и неводные (растворитель — спирт, бензол, ацетон и др.).

Растворы по своим характеристикам занимают промежу­ точное положение между взвесями и химическими соедине­ ниями. Подобно химическим соединениям, растворы харак­ теризуются устойчивостью и однородностью. Растворитель и растворенное вещество химически взаимодействуют между

собой.

На это указывают:

•тепловой эффект при образовании растворов;

•явление контракции — сокращение объема при смеши­ вании жидкостей. Например, при смешивании 1 дм3 воды

и1 дм3 этанола суммарный объем раствора равен не

2 дм3, а 1,93 дм3;

•изменение окраски при образовании жидких растворов (раствор бесцветных кристаллов сульфата меди(П) в воде имеет синий цвет из-за образования гидратированных ионов Си2+ • 4Н2О);

•изменение свойств веществ при образовании растворов (то же происходит при образовании химических соеди­ нений).

Подобно неоднородным смесям, растворы:

•не подчиняются закону постоянства состава;

•могут быть разделены на отдельные компоненты срав­

нительно простыми способами (например, дистилляцией). Таким образом, растворы можно рассматривать как физи­

ко-химические системы.

Процесс растворения вещества — это также физико-хими­ ческое явление. В процессе растворения различают:

1)физическую сторону:

•разрыв связей между ионами в ионном кристалле или межмолекулярных связей в веществах молекулярного строения;

•диффузию частиц уже растворенного вещества (молекул или ионов) в объеме растворителя;

2)химическую сторону: взаимодействие молекул раствори­ теля с частицами растворенного вещества, которое называется сольватацией. Когда растворителем является вода, такое взаи­ модействие молекул воды с частицами растворенного вещества называется гидратацией. Гидратация приводит к образованию

гидратов, например: H,SO4 • Н2О, NH3 • 2Н2О.

Гидратную теорию растворов предложил Д. И. Менделеев. Обычно гидраты неустойчивы и существуют только в раство­ рах, но в отдельных случаях устойчивость гидратов так вы­ сока, что выпариванием или охлаждением можно выделить их из водных растворов в виде кристаллов.

Кристаллогидраты — это кристаллы, в образовании ко­

торых участвуют молекулы воды. Вода, которая входит в состав кристаллогидратов, называется кристаллизационной. Некоторые кристаллогидраты имеют тривиальные (технические) названия

(табл. 10.1).

10.2. ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ ПРИ РАСТВОРЕНИИ

Знак и величина теплового эффекта при растворении ве­ щества зависят от соотношения между тепловыми эффектами физического и химического процессов: на разрыв связей меж­ ду частицами растворяемого вещества и для их диффузии энергия затрачивается, т. е. физический процесс растворения является эндотермическим (0фпз пр < 0); при взаимодействии частиц растворенного вещества с растворителем (химический процесс) теплота выделяется, т. е. химический процесс — эк­ зотермический (2ХИМ пр > 0)' Суммарный тепловой эффект растворения — алгебраическая сумма теплот (энергий) физи­

ческого и химического процессов:

Основной вклад в значение 0физ пр вносит энергия, затрачи­ ваемая на разрыв связей в растворяемом веществе.

Следовательно, в зависимости от соотношения между от­

дельными тепловыми эффектами суммарный тепловой эффект

При растворении газов и жидкостей в воде теплота обыч­ но выделяется (практически отсутствуют затраты энергии на разрыв межмолекулярных связей), а при растворении твердых веществ теплота может как выделяться, так и поглощаться.

Затраты энергии при растворении больше для веществ, имеющих атомную или ионную кристаллическую решетку, меньше — в случае твердых веществ молекулярного строения.

Свыделением тепла в воде растворяются серная кислота

ищелочи; охлаждение раствора (поглощение энергии) наблю­ дается, когда в воде растворяются нитрат аммония и хлорид кальция.

Вслучае кристаллических веществ (2физ пр равна взятой с отрицательным знаком энергии кристаллической решетки ве­ щества (£ р реш > 0):

При растворении кристаллогидратов (Кг) теплота, как пра­ вило, поглощается, так как нет эффекта гидратации, а проис­ ходит только процесс разрыва связей, поэтому:

Выражение (10.1) с учетом соотношений (10.2) и (10.3) для кристаллических веществ можно записать так:

Отметим, что теплота гидратации равна взятой с обратным знаком теплоте дегидратации кристаллогидрата.

10.3. КЛАССИФИКАЦИЯ РАСТВОРОВ

Различают растворы концентрированные и разбавленные.

В концентрированных растворах относительное содержание растворенного вещества и растворителя сравнимы (различа­ ются не более чем в 10 раз), в разбавленных содержание рас­ творенного вещества намного меньше, чем растворителя.

Растворы бывают насыщенные и ненасыщенные. Насы­ щенным называется раствор, находящийся в равновесии с растворяемым веществом (осадком, газом или жидкостью). Иными словами, насыщенным является раствор, в котором при данных условиях (температура, давление) достигнут предел растворения данного вещества (больше оно не растворяется). Растворы, в которых вещество еще может растворяться (при неизменных внешних условиях), называются ненасыщенными.

Ненасыщенный раствор содержит меньше вещества, чем на­ сыщенный.

Понятия «насыщенный» и «ненасыщенный», с одной сто­ роны, и «разбавленный» и «концентрированный» — с другой, не следует смешивать.

Если вещество плохо растворяется в воде, то его на­ сыщенный раствор будет разбавленным. Если вещество хорошо растворяется в воде, то раствор будет концент­ рированным.

Например, насыщенный раствор карбоната кальция будет разбавленным, а насыщенный раствор нитрата калия — кон­ центрированным. Не всякий концентрированный (или разбав­ ленный) раствор обязательно является насыщенным. Например, растворимость SbCl3 в 100 г воды составляет 1000 г, поэтому раствор, полученный растворением в 100 г воды 500 г этого вещества, безусловно, будет концентрированным, однако не­ насыщенным (не достигнут предел растворения вещества).

Таким образом, концентрированные и разбавленные растворы могут быть как насыщенными, так и ненасыщенными.

При определенных условиях можно получить пересыщен­ ные растворы (например, осторожным охлаждением насыщен­ ного нагретого раствора). Пересыщенный раствор содержит при данной температуре больше растворенного вещества, чем насыщенный. Пересыщенные растворы весьма неустойчивы.

Существуют различные способы изменения содержания

растворенного вещества в растворе (рис. 10.2).

Рис. 10.2. Способы изменения содержания растворенного вещества в растворе

Например, при выпаривании воды разбавленный раствор КОН можно сделать концентрированным, того же результата можно достичь добавлением в раствор КОН. Ненасыщенный раствор можно сделать насыщенным, понижая температуру

(если растворимость с понижением температуры уменьшается).

10.4. КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАСТВОРОВ

Количественными характеристиками раствора являются:

•массовая доля w;

•молярная концентрация с.

278 Общая химия

120 г р-ра — 15 г осадка

150 г р-ра — х,

150 • 15 * =-----=18,75 «18,8 (г).

Ответ: 18,8 г.

10.5. РАСТВОРИМОСТЬ. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА РАСТВОРИМОСТЬ

Растворимость веществ, т. е. способность растворяться в том или ином растворителе, различается; качественно по спо­ собности растворяться вещества можно разделить:

•на хорошо растворимые (больше 1 г вещества в 100 г растворителя);

•малорастворимые (0,1—1,0 г вещества в 100 г раство­ рителя);

•нерастворимые (меньше 0,1 г вещества в 100 г раство­ рителя).

Однако следует иметь в виду, что абсолютно нерастворимых веществ в природе нет. Например, погруженная в воду сереб­ ряная монета частично поставляет в раствор ионы Ag+, бла­ годаря чему вода приобретает целебные свойства.

Количественно растворимость характеризуют содержанием растворенного вещества в насыщенном растворе. Это содер­ жание выражают с помощью коэффициента растворимости или массовой доли насыщенного раствора.

Коэффициент растворимости s (А) равен максимальной массе вещества (в г), которое можно растворить в данных условиях в 100 г (реже — в 1 дм3) растворителя; в случае газов растворимость часто задают в кубических сантиметрах (или граммах) на 1 дм3: см3/дм3 или г/дм3.

Рассмотрим факторы, влияющие на растворимость ве­

ществ.

Прежде всего, растворимость зависит от природы раство­

ряемого вещества и растворителя. Согласно известному пра­

вилу, подобное растворяется в подобном. Это означает, что

энергия взаимодействия между частицами растворяемого ве­ щества должна быть близка к энергии межмолекулярных сил

в растворителе. Вода как полярный растворитель лучше рас­

творяет ионные вещества или вещества молекулярного стро­ ения с полярными молекулами: соли, щелочи, галогеноводо-

роды, серная кислота и др.; в то же время неполярные алканы,

бензол, сера, азот, кислород, благородные газы, РН3, СС14 в

воде плохо растворимы. Напротив, хорошими растворителями неполярных веществ являются керосин, бензин, состоящие из неполярных молекул углеводородов; имеющий неполярные

молекулы иод лучше растворим в бензоле, чем в воде. Рас­

творимость веществ в воде возрастает, если они химически

взаимодействуют с водой (SO3, NO2, Р2О5, Na,0 и др.) или образуют с ней водородные связи (спирты, аммиак, фторово­

дород, пероксид водорода).

Очень плохо растворимы в воде (порядка нескольких см3

на 100 г Н2О при 20 °C) О2, N2, Н2, СО, H2S, все благородные газы, СН4, С2Н4 и другие углеводороды, лучше — СО2, SO2,

очень хорошо — NH3, НС1, НВг, HI, HF (неограниченно).

Растворимость веществ зависит от температуры и подчи­

няется принципу Ле Шателье. Так, растворение газов — про­ цесс чаще всего экзотермический, поскольку при растворении

газов практически отсутствуют затраты энергии на разрыв

связей между молекулами газа:

+н,о

А (г) <=± А (р-р) + Q.

Согласно принципу Ле Шателье, понижение температуры

сместит это равновесие вправо, а повышение — влево. Таким

образом, при повышении температуры растворимость газов в

воде понижается, а при понижении температуры — возрастает.

По этой причине реки в северных широтах содержат боль­

ше кислорода и, следовательно, более богаты рыбой.