Химия для студентов специальности 1-57 02 01 Технология и оборудование ювелирного производства

21

В верхней части схемы помещены две группы простых веществ — металлы и неметаллы, а также водород, строение атома которого отличается от строения атомов других элементов. На валентном слое атома водорода находится один электрон, как у щелочных металлов; в то же время, до заполнения электронного слоя оболочки ближайшего инертного газа — гелия — ему недостает также одного электрона, что роднит его с галогенами.

Волнистая черта отделяет простые вещества от сложных; она символизирует, что «пересечение» этой границы обязательно затрагивает валентные оболочки атомов в простых веществах, следовательно, любая реакция с участием простых веществ будет окислительно-восстановительной.

Влевой части схемы под металлами помещены их типичные соединения

—основные оксиды и основания, в правой части схемы помещены соединения, типичные для неметаллов, кислотные оксиды и кислоты. Водород, помещенный в верхней части схемы, дает очень специфический, идеально амфотерный оксид

—воду Н2О, которая в комбинации с основным оксидом дает основание, а с кислотным — кислоту. Водород в сочетании с неметаллами образует бескислородные кислоты. В нижней части схемы помещены соли, которые, с одной стороны, отвечают соединению металла с неметаллом, а с другой — комбинации основного оксида с кислотным.

Приведенная схема до некоторой степени отражает и возможности протекания химических реакций — как правило, в химическое взаимодействие вступают соединения, принадлежащие разным половинам схемы.

23

образуется 70%-ный раствор Н2SO4 в воде. Если же смешиваются две неводные жидкости, то жидкость, взятая в большем количестве, считается растворителем.

Растворы подразделяют на истинные и коллоидные. В истинном растворе дробление частиц растворенного вещества осуществляется до размеров молекул (молекулярно-дисперсная система), которые невидимы ни визуально, ни с помощью микроскопа. В коллоидных растворах размер частиц растворенного вещества составляет примерно от 1·10-9 до 5·10-7 м (коллоиднодисперсная система). Такие частицы можно обнаружить с помощью ультрамикроскопа.

Способность вещества переходить в раствор называется растворимостью. Растворимость зависит от природы растворяемого вещества и растворителя, температуры и давления (для газов).

Растворимость веществ в воде обычно измеряют массой вещества (г), которая может максимально раствориться в 100 г воды при данной температуре. Визуальным показателем максимальной растворимости вещества является наличие осадка, над которым находится прозрачный раствор. Система, представляющая собой раствор над осадком, является устойчивой равновесной системой. Раствор, в котором данное вещество при данной температуре больше не растворяется, называется насыщенным. Растворимость вещества обозначается буквой s, верхним индексом указывается температура растворения.

s(CuSO4) = 14,30; 20,520 , что означает, что при температуре 0оС в 100 г Н2О растворяется максимально 14,3 г CuSO4, а при температуре 20оС – 20,5 г

CuSO4.

Если в 100 г воды при комнатной температуре растворяется более 1 г вещества, то такое вещество принято называть хорошо растворимым (Р), например, s(CuSO4) = 20,520 , если от 0,1 до 1 г – малорастворимым (М),

s(CuSO4) = 0,1620 , если менее 0,1 г – практически нерастворимым (Н), например, s(ВаSO4) = 0,0002218.

Растворимость большинства твердых и жидких веществ в воде с ростом температуры увеличивается. Так, для сульфата меди (II) при возрастании температуры от 0 до 25оС растворимость возрастает в 1,56 раза.

Понижение растворимости с ростом температуры наблюдается лишь для немногих веществ, например, сульфата натрия, гипса, гидроксида кальция (гашеная известь). Для Са(ОН)2, например, с ростом температуры от 0 до 25оС растворимость уменьшается в 1,14 раза.

В отличие от большинства твердых веществ и жидкостей растворимость газов в жидкостях с повышением температуры уменьшается. Так, растворимость азота составляет 2,35 см3 в 100 г Н2О при температуре 0оС и 1,43 см3 при температуре 25оС.

24

В некоторых случаях раствор может удерживать больше растворенного вещества, чем это продиктовано величиной растворимости. Такой раствор называется пересыщенным. Пересыщенные растворы представляют собой неустойчивые, неравновесные системы. При введении, например ―затравки‖ – кристаллика твердого растворяемого вещества, избыточное количество этого вещества выпадает в осадок и образуется насыщенный раствор.

Ненасыщенным раствором называется такой раствор, в котором можно еще растворить добавочное количество растворяемого вещества, т.е. в таких растворах нет осадка.

Насыщенный и ненасыщенный растворы нельзя путать с разбавленным и концентрированным. Разбавленные растворы – растворы с небольшим содержанием растворенного вещества, концентрированные растворы – растворы с большим содержанием растворенного вещества. Понятие разбавленный и концентрированный растворы являются не количественными, а качественными понятиями, это относительные понятия, выражающие только соотношение количеств растворенного вещества и растворителя. Насыщенные растворы малорастворимых веществ являются разбавленными, а растворы хорошо растворимых веществ – даже ненасыщенные, являются довольно концентрированными.

Например, в 100 г воды максимально растворяется всего 0,97 г бромида свинца (II) при 25оС. Таким образом, насыщенный раствор PbBr2 является разбавленным.

При растворении наблюдается взаимодействие частиц растворяемого вещества с растворителем, называемое сольватацией. Частный случай взаимодействия растворенного вещества с водой называется гидратацией. Процессы сольватации включают взаимодействие различной природы от слабых межмолекулярных ван-дер-ваальсовых сил и водородных связей до сильных координационных взаимодействий. Так, при растворении хлорида железа (Ш) в воде, образующийся при диссоциации ион Fe3+, образует прочную комплексную частицу Fe(H2O)63+. При испарении воды из раствора выделяется не безводный FeCl3, а кристаллогидрат FeCl3·6H2O (аквакомплекс [Fe(H2O)6]Cl3).Следствием химического взаимодействия между растворителем и растворяемым веществом является поглощение или выделение теплоты, наблюдаемое при растворении. Так, при растворении 1 моль НСl(г) в воде выделяется тепловая энергия в количестве 75 кДж.

Состав растворов количественно характеризует следующими величинами: Моляльность раствора (обозначение Cm(В), единица измерения -

моль/кг). Выражается числом моль растворенного вещества в 1 кг растворителя

(воды):

25

где mB и mр-тель – масса растворенного вещества и растворителя, г; MB –

молярная масса растворенного вещества, г/моль.

Например: Определить моляльность раствора, если в 200 г этого раствора,

содержится 16 г NaOH:

MNaOH = 40 г/моль.

Массовая доля растворенного вещества (В) (обозначение ωВ, единица измерения – доля от единицы или процент, % масс.). Определяется отношением массы растворенного вещества (mB) к массе раствора (mр-ра.)

mр-ра = mB + mр-теля

Масса раствора (mр-ра) связана с объемом раствора (Vр-ра) следующей формулой:

26

Молярная доля растворенного вещества (В) (обозначение χВ,

безразмерная величина).Определяется как отношение числа моль растворенного вещества (nВ) к сумме числа моль растворенного вещества (nВ) и

числа моль растворителя (воды).

MB и Mр-тель – соответственно молярные массы растворенного вещества и растворителя, г/моль.

Пример 1: Определить молярную долю глюкозы (C6H12O6) в водном растворе с массовой долей 10%.

Титр растворенного вещества (В) (обозначение - ТВ, единица измерения -

г/см3) Это концентрация стандартного раствора, равная массе растворенного вещества (mB), содержащейся в 1 см3 раствора.

где Vр-ра – объем раствора, см3;

mB – масса растворенного вещества, г

Не следует путать титр раствора и плотность раствора на основании похожести формулы и одинаковой размерности. Плотность раствора (ρр-ра)– это

27

масса единицы объема раствора. Чтобы рассчитать плотность раствора необходимо массу некоторого образца раствора разделить на его объем.

М NiCl 2 = 130 г/моль.

Признаки дисперсных систем (коллоидных растворов, гидрозолей)

Основными признаками дисперсных систем, определяющими их особые свойства, являются гетерогенность и дисперсность.

Гетерогенность (многофазность) выступает как признак, указывающий на наличие в системе межфазной поверхности (поверхностного слоя), на которой протекают поверхностные процессы и явления, которые не только определяют граничную между фазами область, но и обусловливают коллоидное состояние вещества. Гетерогенность определяет наличие поверхностей раздела и обусловливает характерные свойства дисперсных систем. Следует учитывать, что гетерогенность определяет качественные, но не количественные отличия дисперсных систем от гомогенных систем (например, растворов).

Вторым (количественным) признаком дисперсных систем является дисперсность, которая определяется размерами и формой частиц дисперсности. Эти частицы могут иметь различную форму:

сферическую, кубическую, прямоугольную, цилиндрическую, чаще всего

— неправильную, причем в одной и той же дисперсной системе частицы ДФ могут иметь различную форму и размеры. Дисперсные системы, размер частиц ДФ которых (дисперсность) одинаков, называют монодисперсными системы, содержащие частицы различных размеров (дисперсности), называют полидисперсньши. Величина дисперсности системы (D) связана с эффективным диаметром (размером) частиц дисперсной фазы (а) соотношением

Эффективный диаметр сферических частиц равен их диаметру, кубических - длине ребра куба. Если частицы ДФ имеют форму нити, то их эффективный размер равен диаметру нити; под эффективным размером (диаметром) пленок понимают их толщину (δ).

28

Удельную поверхность, являющуюся количественной характеристикой дисперсности, или степени раздробленности системы, обычно определяют как отношение общей поверхности раздела фаз (межфазной поверхности, или поверхности раздела фаз ДФ/ДСр) (S0бщ) к массе дисперсной фазы (m):

при этом уравнение, связывающее дисперсность и удельную по; верхность системы, частицы ДФ которой объемны и имеют сферическую или кубическую форму, принимает вид

Классификация дисперсных систем

Дисперсные системы могут быть классифицированы на виды (группы, классы) различным образом. Рассмотрим основные пять видов классификации дисперсных систем.

В соответствии с характером взаимодействия частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды различают лиофильные и лиофобные дисперсные системы.

Первые характеризуются сильным взаимодействием частиц дисперсной фазы - и дисперсионной среды, вследствие чего термодинамически устойчивы и могут образовываться самопроизвольно (ΔGобр < 0). В лиофобных системах взаимодействие дисперсной фазы и дисперсионной среды слабое, такие системы термодинамически неустойчивы, и для их получения необходимо затратить некоторую, порой довольно большую, энергию (ΔGобр > 0).

Исходя из кинетических свойств дисперсной фазы (по степени свободы,

подвижности частиц ДФ), различают свободно-дисперсные и связнодисперсные системы. В первых частицы ДФ не связаны друг с. другом (или с

29

дисперсионной средой) и могут свободно перемещаться по всему объему дисперсионной среды. К таким системам относятся золи, разбавленные эмульсии,

К таким системам относятся золи, разбавленные эмульсии, аэрозоли. В связнодисперсных системах частицы дисперсной фазы сильно взаимодействуют друг с другом либо с молекулами дисперсионной среды, в результате чего не могут свободно перемещаться по ее объему. Примерами таких систем являются гели, пасты и высококонцентрированные эмульсии. К связнодисперсным системам относятся также системы, в которых дисперсионная среда характеризуется очень высокой вязкостью, вследствие чего перемещение частиц дисперсной фазы по ее объему затруднено (а на практике почти невозможно). Такими системами являются дисперсные системы с твердой дисперсионной средой (твердые пены, минералы и т. д.).

В зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды выделяют девять видов дисперсных систем, обозначаемых в виде дроби, в которой в числителе указывается агрегатное состояние дисперсной фазы (ДФ), а в знаменателе - дисперсионной, среды (ДСр): ДФ/ДСр (таблица).

По размеру частии дисперсной фазы различают грубодисперсные (макрогетерогенные), микродисперсные (микрогетерогенные) и ультрамикродисперсные (ультрамикрогетерогенные системы. В первых средний размер частиц дисперсной фазы превышает 10-5 м (а > 10 мкм), во вторых может изменяться в пределах 10-5 - 10-7 м (0,1 мкм < а < 10 мкм), в третьих составляет 10-7 - 10-9 м (1 нм < а < 100 нм). Таким образом, можно сказать, что грубодисперсные системы содержат частицы миллиметрового размера, микродисперсные системы - микрометрового, а ультрамикродисперсные системы - частицы ннанометрового размера. Учитывая это, ультрамикродисперсные сйстемы в последнее вреимя часто называют нанодисперсными и рассматривают их не только в рамках коллоидной химии, но и в рамках новых дисциплин, появившихся в последние несколько десятилетий, — нанохимии, нанофизики и т. д.

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды

30

Дисперсность коллоидных частиц (частиц дисперсной фазы)j может проявляться в различном количестве направлений. Если частички дисперсной системы дисперсны в трех направлениях (капли, пузырьки, твердые частицы), то такие системы называют трехмернодисперсными (дисперсность проявляется во всех направлениях, она изотропна). К таким системам относятся коллоидные растворы (золи), микроэмульсии, а также сферические мицеллы коллоидных поверхностно-активных веществ (ПАВ). Если частицы дисперсной фазы в одном направлении имеют макроразмеры (протяженны), а в двух других - дисперсные (нити, волокна), то данные системы называют двумернодисперсными (дисперсность анизотропна и проявляется только в двух направлениях). Примерами таких систем являются капилляры, пористые тела, цилиндрические мицеллы, а также открытые в последнее время нанотрубки. Если дисперсная фаза дисперсна только в одном направлении, а в двух других макрогетерогенна (пленки, мембраны), то такие системы являются одномернодисперсными (дисперсность анизотропна и проявляется только в одном направлении). К этим системам относятся пленки Лэнгмюра — Блоджетт, тонкие жидкие (или твердые) пленки, адсорбционные слои, а также пластинчатые мицеллы коллоидных поверхностно-активных веществ.