111

Розділ 5. Розчини

5.1. Загальні поняття про розчини

Розчинами називають гомогенні термодинамічно стійкі системи змінного складу, що складаються з двох або більше компонентів, між якими відбувається фізична, і хімічна взаємодія.

Розчини можуть існувати у будь-якому агрегатному стані – твердому, рідкому, газоподібному. Загальна ознака для них – однофазність.

Компонентами розчину є розчинник (середовище) та розчинена речовина (або декілька речовин), яка рівномірно розподілена у розчиннику у вигляді молекул, атомів або іонів. Розчинником є речовина, що знаходиться у тому ж агрегатному стані, що і розчин в цілому. Якщо агрегатний стан речовин, які складають розчин однаковий, то за розчинник приймають речовину у надлишку.

Утворення розчинів є процес довільний, який відбувається зі збільшенням невпорядкованності у системі, тобто з підвищенням ентропії (S > 0) і зменшенням вільної ї енергії системи (енергії Гіббса) згідно з рівнянням

G = Н  ТS.

При розчиненні у рідинах твердих речовин відбувається такі фізико-хімічні процеси.

1. Орієнтація полярних молекул розчинника навколо частинок розчинюваної речовини та утворення нового іон-дипольного зв’язку;

2. Руйнування кристалічної решітки розчинюваної речовини, перехід її у рідкий стан та рівномірний розподіл у всьому об’ємі рідкої фази;

3. Хімічна взаємодія розчинюваної речовини з розчинником з утворенням гідратів або сольватів (кристалогідратів).

Розчини займають проміжне положення між механічними сумішами і хімічними сполуками. Як і для механічних сумішей, для розчинів характерні: несталість складу в широких межах; можливість виявити багато властивостей його окремих компонентів. Для розчинів, як і для хімічних сполук, характерні: однорідність; наявність теплових ефектів, зміни об’ємів при їх утворенні (можливо також змінення кольору) . Наприклад:

1. Тепловий ефект розчинення: H₂SO₄ ( рід ) + 200 H₂O ( рід ) = H₂SO₄^.200H₂O ( розч ) H = –74,27 кДж .

2.Зміна об єму при розчиненні:

С₂Н₅ОН + Н₂О ; V = 3,5% .

3.Зміна кольору при розчиненні:

CuSO₄ + 5H₂O  CuSO₄ ^.5H₂O;

CuSO₄ – безбарвна речовина; CuSO₄ ^.5H₂O – блакитний кристалогідрат.

Загальна зміна ентальпії розчинення (Н_р) може бути як додатною (H > 0) так і від’ємною (Н < 0).

Розчинність і способи вираження концентрації розчинів

Розчинність різних речовин у тому самому розчиннику або будь-якої речовини в різних розчинниках може коливатись у досить широких межах. Кількісний склад розчину можна виразити концентрацією або долею. Концентрація – це співвідношення неоднотипних величин. Вона має розмірність моль/л, г/л (обємні концентраціі) або моль/г,кг (масові концентрації). Відношення однотипних величин називається долею. Доля – безрозмірна величина. Розглянемо декілька типів концентрацій і долей.

1. Масова доля (_i) – це відношення маси m_i розчиненого компоненту i до cумарної маси розчину m_i. Масову долю звичайно виражають у частках одиниці або у відсотках.

_i = m_i / m_i.

2. Мольна доля (N_i ) – це відношення кількості молів n_i розчиненого компоненту i до сумарної кількості молів усіх речовин у розчині n_i

N_i = n_i/ n_i.

3. Молярна концентрація (молярність, С_М) – це відношення кількості молів n_i розчиненого компоненту i до об єму розчину V, розмірність – моль/л:

C_M = n_i / V.

Розчини з молярнiстю 1 і 0,1… моль/л називаються одномолярними, децимолярними i т.п. Скорочено записують так: 1M розчин NaOH, 0,1 M розчин HCl.

4. Молярна концентрація еквівалентів (нормальність, С_N ) – це відношення кількості молів еквівалентів n_i розчиненого компоненту i до обєму розчину V, розмірність моль екв/ л:

C_н = n_i екв /V.

Наприклад, розчини, якi мiстять в 1 л 1 та 0,1 молів еквiвалента розчиненої речовини, називаються однонормальними (1 н.) децинормальними (0,1 н.) вiдповiдно.

Згiдно з законом еквiвалентiв речовини реагують без залишку, якщо C_NIV_I =C_N2V₂. Це вiдношення використовується в об’ємному аналiзi, тобто при визначеннi концентрацiї речовини вимiрюванням об’єму реагуючих речовин.

5. Моляльна концентрація (моляльність, С_m) – це відношення кількості молей n_i розчиненого компонента i до маси 1000 г розчинника, розмірність моль/1000 г розчиника.

С_m = n_i /1000 г розч = G_і 1000 / M_i g,

де G_i i M_i – маса і молярна маса розчиненої речовини г, г/моль; g – маса розчинника, г, 1000 – коефіцієнт переводу кг/г .

Розчинність – це величина, яка характеризує здібність речовини до утворення з розчинником однорідної стійкої системи. Речовини можуть характеризуватися необмеженною розчиністю, тобто змішуватися з розчинником у будь-яких співвідношеннях. Цей процес зумовлено або близкістью хімічних та фізичних властивостей розчинника і розчиненої речовини, або хімічною взаємодією між ними. Значно частіше зустрічається обмежена розчинність, яка характеризуеться станом рівноваги міжнасиченим розчином та розчиненою речовиною (G= 0). Насичений розчин – це розчин, у якому розчинено максимальна кількість розчиненої речовини при певних зовнішних умовах (ТіР). Концентрація насиченного розчину зветьсярозчинністью(не плутати з розчинністю як фізико-хімічним процесом ) і позначається літерою Р. Найчастіше розчинність має розмірність г/100 г розчинника і при 20С (іноді при 25С) є табличною величиною. Якщо розчин містить менше розчиненої речовини, ніж потрібно для насичення, то такий розчий зветься ненасиченим. Якщо плавно змінювати умови, наприклад, повільно охолоджувати гарячий розчин, можна отримати пересичений розчин, у якому концентрація розчиненої речовини більше, ніж у насиченому розчини (це стосується розчинів твердих речовин у рідинах). Ці розчини не стійкі (G0) і за різкої зміни умов (перемішуванні, струшуванні) надлишок розчиненої речовини осаджується.

Приклад 1. Знайти маси води і мідного купоросу CuSO₄·5H₂O, необхідні для приготування одного літра розчину, що містить 8% (мас.) безводної солі. Густина 8% розчину CuSO₄ дорівнює 1,084 г/мл.

Розвязання:

1. Маса 1 л розчину (m_р-ну)  ?

m_р-ну = V· = 1000 · 1,084 = 1084 г.

2. m(CuSO₄ )  ?

У цьому розчині міститься 8% безводної солі m(СuSO₄) = 1084·0,08 = 86,7г.

3. m(CuSO₄· 5H₂O )  ?

М(CuSO₄· 5H₂O) = 249,7 г/моль; М(CuSO₄ ) = 159,6 г/моль.

Масу CuSO₄ ·5H₂O визначаємо з пропорції: