1303
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
Я.А. Васина, И.Л.Смельцова
РАСТВОРЫ
Учебно-методическое пособие
по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Химия»
для обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство,
профиль Строительство инженерных, гидротехнических и природоохранных сооружений
Нижний Новгород
2016
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
Я.А. Васина, И.Л.Смельцова
РАСТВОРЫ
Учебно-методическое пособие
по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Химия»
для обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство,
профиль Строительство инженерных, гидротехнических и природоохранных сооружений
Нижний Новгород
2016
2
УДК
Васина Я.А.
Васина И.Л.
541 (075)
Растворы [Электронный ресурс]: учеб. - метод. пос. / Я.А.
Смельцова, Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун - т – Н.
Новгород: ННГАСУ, 2016. – 24 с; ил. 1 электрон. опт. диск (CD-RW)
Приведены основные характеристики процессов, протекающих в водных растворах. Описаны методы экспериментального определения концентраций растворов. Приведены задания и тесты для контроля знаний.
Предназначено обучающимся в ННГАСУ для выполнения
лабораторных работ по направлению подготовки 08.03.01 Строительство,
профиль: Строительство инженерных, гидротехнических и природоохранных
сооружений.
© Я.А. Васина,
И.Л. Смельцова, © ННГАСУ, 2016.
3
Введение
Система, состоящая из двух и более веществ, одно из которых распределено в виде очень мелких частиц в другом, называется дисперсной системой (лат. – рассеянный). Распределенное вещество называется дисперсной фазой, а вещество, в котором распределена дисперсная фаза – дисперсионной средой. Дисперсионная среда и дисперсная фаза могут быть в различных агрегатных состояниях.
Таблица 1
Классификация дисперсных систем в зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды
Дисперсионн |
Дисперсионные системы для дисперсионной фазы |
|||
ая среда |
Твердой (Т) |
Жидкой (Ж) |
Газообразной |
|
|
|
|
|
(Г) |
Жидкая (Ж) |
Т/Ж: |
золи, |
Ж/Ж: |
Г/Ж: |
|
суспензии, гели, |
эмульсии, |
газовые |
|
|
пасты, |
чаинки в |
эритроциты в |
эмульсии, пены, |
|
воде |
|
крови |
альвеолы легких |
Твердая (Т) |
Т/Т: |
твердые |
Ж/Т: |
Г/Т: твердые |
|
золи, |
сплавы, |
твердые |
пены, пористые |
|
конструкционны |
эмульсии, |
тела |
|
|
е материалы |
пористые тела |
|
|
Газообразная |
Т/Г: дым, пыль |
Ж/Г: |
Г/Г* |
|
Г) |
|
|
туманы |
|
* - системы маловероятны |
|
|
||
Свойства дисперсных систем в значительной мере зависят от степени размельчения дисперсной фазы. Выделяют грубодисперсные системы (взвеси, суспензии, эмульсии) размер частиц более 10-5 см; тонкодисперсные (коллоидные) с размером частиц от 10-5 до 10-7 см; гомогенные
4
Истинные растворы - это гомогенные многокомпонентные дисперсные системы с размером частиц дисперсной фазы меньше 10-7 см
Раствором называется твердая или жидкая гомогенная система, состоящая из двух или более компонентов (составных частей), относительные количества которых могут изменяться в широких пределах. Всякий раствор состоит из растворенных веществ и растворителя, т.е. среды,
вкоторой эти вещества равномерно распределены в виде молекул или ионов. Растворитель – компонент, взятый в избытке, сохраняющий свою структуру в растворе.
Дисперсные системы окружают нас всюду. Природные воды, сточные воды, различные технологические растворы – это многокомпонентные дисперсные системы, в которых дисперсионной средой является жидкая вода (обычно её называют просто «вода»).
Вводе растворяются газообразные, жидкие, твердые как неорганические, так и органические вещества. Процесс растворения – это сложный физико – химический процесс. О сложности его говорит хотя бы тот факт, что единая теория растворов не разработана до сих пор. В основе современной теории растворов лежит гидратная теория растворов Д. И. Менделеева.
Д. И. Менделеев дал растворам следующее определение: «Растворы представляют собой жидкие диссоционные системы, образованные частицами растворителя, растворенного тела и тех неопределенных, но экзотермических соединений, которые между ними происходят, одного или нескольких, смотря по природе соответствующих начал».
Образование растворов сопровождается выделением или поглощением теплоты (теплота растворения). При этом изменяются свойства, как растворенного вещества, так и растворителя.
Большинство веществ, находящихся в кристаллическом состоянии, растворяются в жидкостях с поглощением теплоты. Однако, при растворении
вводе некоторых из них (щелочи, карбоната калия, сульфата меди, серной кислоты и т.д.) происходит повышение температуры. Выделяется теплота также при растворении в воде некоторых жидкостей и всех газов.
Количество теплоты, поглощающейся (или выделяющейся) при растворении одного моль вещества называется теплотой растворения этого
вещества (ΔНраств).
ΔНраств > 0, если при растворении теплота поглощается, и ΔНраств < 0 – при выделении теплоты.
В настоящее время установлено, что при растворении многих веществ их молекулы (или ионы) связываются с молекулами растворителя, образуя соединения, называемые сольватами. Процесс связывания молекул (или ионов) веществ при их растворении с молекулами растворителя называется сольватацией.
Если растворитель вода, то это процесс – гидратации – процесс образования гидратов (соединений молекул или ионов веществ с молекулами воды).
В зависимости от природы растворенного вещества, сольваты могут образовываться в результате ион-дипольного; донорно-акцепторного; диполь - дипольного взаимодействия.
Так при растворении кристаллических веществ теплота растворения (∆Нраств) складывается из теплоты разрушения кристаллической решетки
((∆Нразр. крист. .реш.) и теплоты гидратации ((∆Нгидрат.):
Н раств = Н раз.кр. реш. + |
Нгидр , |
Н раз.кр. реш. > 0; Нгидр |
< 0 , |
может быть и положительной, и отрицательной. Процесс растворения может быть и экзо- и эндотермическим.
Способность веществ растворяться количественно оценивают величиной растворимости. Растворимость – это концентрация растворенного вещества в насыщенном растворе. Чаще всего она выражается как число граммов растворенного вещества в 100 граммов растворителя (коэффициент растворимости). Значения растворимости различных веществ в стандартных условиях приведены в справочниках. Иногда используют значения молярной растворимости (моль/л).
Насыщенный раствор – это раствор, находящийся в равновесии с твердой или газообразной фазой растворенного вещества. Т.е. насыщенный раствор может существовать только в равновесной гетерогенной системе, одной из фаз которой служит растворенное вещество. Например, водный раствор углекислого газа, находящийся в равновесии с газообразным СО2 или водный раствор хлорида натрия, находящийся в равновесии с кристаллами NaCl и т. п.
Величина взаимной растворимости веществ определяется их природой, а также внешними условиями (температура, давление).
Концентрацией раствора называется весовое (в случае газов, объёмное) содержание растворенного вещества в определённом количестве или в определённом объёме раствора. Различают концентрированные и разбавленные растворы.
В зависимости от практической деятельности применения растворов используют различные способы выражения концентраций. Наиболее распространены процентная, молярная и эквивалентная концентрации.
Массовая доля (ω) – отношение массы растворенного вещества к массе раствора.
ω = m р.в ,
m р− ра
6
Массовый процент (ω,%) – отношение массы растворенного вещества к массе раствора, выраженное в процентах.
ω = m р.в ×100 %,
m р− ра
Молярная концентрация (СМ, моль/л) – отношение числа моль растворенного вещества к объёму раствора, выраженного в литрах.
m р.в
СM = M ×V
2М раствора серной кислоты означает, что в каждом литре раствора содержится 2 моль серной кислоты.
Эквивалентная концентрация (СН, экв/л) – отношение числа эквивалентов растворенного вещества к объёму раствора, выраженного в литрах.
2Н раствора серной кислоты означает, что в каждом литре раствора содержится 2 эквивалента серной кислоты.
m р.в
СH = Э ×V
Также молярную концентрацию называют молярностью раствора, а эквивалентную – нормальностью раствора.
Титр (Т, г/см3) – число граммов растворённого вещества в 1см3 раствора (1см3 – 1 мл).
Т = |
m р.в |
|
|
|
V ×1000 |
Во всех формулах масса выражена в граммах, объем в дм3 (л), молярная масса в г/моль, эквивалентная масса в г/экв.
7
ОБЩИЕ СВОЙСТВА РАСТВОРОВ
Свойства разбавленных растворов неэлектролитов
Многие свойства растворов зависят от природы компонентов и от их концентрации. Однако некоторые физические свойства растворов зависят только от концентрации частиц растворенного вещества и природы
растворителя, но не зависят от индивидуальных свойств вещества. Такие свойства называются коллигативными. К их числу относятся: понижение
давления пара над раствором относительно чистого растворителя; повышение температуры кипения раствора и понижение температуры замерзания раствора и осмотическое давление раствора. Количественно зависимость этих свойств от концентрации выражается законами Рауля и Вант-Гоффа.
Понижение давления пара над раствором
В результате естественного процесса испарения над любой жидкостью образуется пар. Процесс испарения, то есть переход молекул из жидкости в газовую фазу осуществляется непрерывно. Но по мере увеличения числа молекул в газовой фазе возрастает вероятность того, что молекулы газовой фазы будут переходить в жидкость. Этот процесс называется конденсацией. Когда оба противоположно действующих процесса начинают идти с одинаковой скоростью, то с этого момента давление в газовой фазе остается постоянным, т.е. система находится в состоянии динамического равновесия
( G = 0).
Если в равновесную систему введено нелетучее вещество, то его переход в паровую фазу исключен. При образовании раствора концентрация растворителя уменьшается, что вызывает нарушение равновесия. В соответствии с принципом Ле-Шателье начинает протекать процесс, стремящийся ослабить влияние этого воздействия, т.е. конденсация. В новом состоянии равновесия давление насыщенного пара растворителя становится меньше. Таким образом, давление пара над раствором всегда ниже, чем над чистым растворителем (рис. 1).
8
Рис.1 Температурная зависимость давления насыщенного пара для твердого и жидкого растворителя и растворов различной концентрации
Как видно из рисунка, кривая давления пара раствора лежит ниже кривой давления пара чистого растворителя. Чем больше концентрация раствора, тем ниже давление его пара. Количественное описание этого явления дает I закон Рауля: "Относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором пропорционально мольной доле растворенного вещества"
Р = Р0 × |
n1 |
|
n + n |
2 |
|
1 |
||
где Р - давление пара над раствором; P0 - давление пара чистого растворителя; Р = P0 - Р - относительное понижение давления пара; n1 - мольная доля растворенного вещества (отношение числа моль растворенного вещества к суммарному числу моль всех компонентов); n2 - мольная доля растворителя.
Температура кипения и замерзания
Вместе с изменением давления пара над раствором изменяются и температуры кипения и замерзания растворов по сравнению с чистым растворителем. Температуры кипения и замерзания вещества - физические постоянные, однако иначе дело обстоит в растворах. Жидкость начинает кипеть, когда давление ее насыщенных паров достигает внешнего давления (≈ 101 кПа). Температура замерзания жидкости соответствует такой температуре, при которой уравниваются давления паров твердой и жидкой фаз. Поскольку давление паров над раствором всегда ниже, чем над чистым
9
растворителем, раствор кипит при более высокой температуре, а замерзает при более низкой температуре, чем чистый растворитель.
Согласно II закону Рауля:
Dtкип = Е × Cm ; |
|
|
|
Dt зам = К × Cm ; |
|
Сm |
= |
m |
р.в |
, |
|
|
|
||||
M × m р− ля |
|||||
|
|
|
|||
где tкип, tзам - повышение tкип раствора и понижение tзам раствора, соответственно, Сm- моляльная концентрация раствора; - масса растворенного вещества; M - молярная масса вещества; mр-ля - масса растворителя, Е и К - эбуллиоскопическая и криоскопическая константы растворителя зависят только от природы растворителя (таблица 3). Приведенные формулы справедливы только для разбавленных растворов неэлектролитов.
Эбуллиоскопическая константа воды равна 0,52°С; это значит, что растворы, содержащие по 1 моль любого неэлектролита на 1000 г воды, кипели бы при 100,52° С, если бы эти растворы существовали и были бы идеальными (на самом деле такие концентрированные растворы, как одномоляльные, законам Рауля не подчиняются).
Таблица 3
Значения криоскопических и эбуллиоскопических постоянных некоторых растворителей
|
|
|
|
|
|
Растворитель |
Е |
К |
t кип, 0C |
t зам,0C |
|
Формула |
Название |
|
|||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Н2О |
вода |
0,52 |
1,86 |
100 |
0,0 |
|
|
|
|
|
|
С6Н6 |
бензол |
2,53 |
5,12 |
80,1 |
5,5 |
|
|
|
|
|
|
C2H5OH |
этил.спирт |
1,22 |
1,99 |
78,4 |
-114, 0 |
|
|
|
|
|
|
10