Растворы. Выражение концентраций растворов
•Дисперсными системами называются системы, состоящие из некоторого вещества, в котором в очень мелком виде распределено другое вещество.
•Распределенное вещество называется дисперсной фазой, а вещество,
вкотором распределена дисперсная фаза – дисперсионной средой. Если частицы дисперсной фазы имеют размер порядка размеров молекул (<10–8 м), то дисперсную систему называют раствором (истинным раствором).
•Простейшие составные части раствора, которые могут быть выделены
вчистом виде, называются компонентами раствора. Обычно компонент, находящийся в избытке, считают растворителем, а остальные – растворенными веществами. Если один из компонентов
– вода, то ее обычно принимают за растворитель.
Концентрация – величина, выражающая относительное содержание данного компонента в растворе. Существуют следующие основные способы выражения концентрации растворов.
Массовая доля – величина, показывающая, какую долю от массы раствора составляет масса растворенного вещества:
или в процентах:
Молярная концентрация (молярность) – величина, показывающая, сколько молей растворенного вещества содержится в 1 литре раствора:
(моль/л),
где νв-ва – количество растворенного вещества в растворе, моль; Vр-ра – объем раствора, л.
Нормальная концентрация растворов (нормальность или молярная концентрация эквивалента) – число грамм-эквивалентов данного вещества в одном литре раствора.
Грамм-эквивалент вещества – количество граммов вещества, численно равное его эквиваленту.
Эквивалент – это условная единица, равноценная одному иону водорода в кислотно-основных реакциях или одному электрону в окислительно – восстановительных реакциях.
Для записи концентрации таких растворов используют сокращения н или N. Например, раствор, содержащий 0,1 моль-экв/л, называют децинормальным и записывают как 0,1 н.
где:
СН – нормальная концентрация, моль-экв/л;
z – число эквивалентности;
Vр-ра – объём раствора, л.
Моляльная концентрация (моляльность) раствора С(x) показывает количество молей n растворенного вещества в 1 кг растворителя m:
где:
С (x) – моляльность, моль/кг;
n – количество растворенного вещества, моль; mр-ля – масса растворителя, кг
Титр – величина, показывающая, какая масса растворенного вещества содержится в 1 мл раствора:
(г/мл)
где mв-ва – масса растворенного вещества в растворе, г; Vр- ра – объем раствора, мл.
Мольная доля вещества в растворе представляет собой отношение числа молей этого вещества к суммарному количеству молей всех компонентов раствора:
Растворимость
•Если растворимое вещество контактирует с растворителем, процесс образования раствора во многих случаях идет самопроизвольно до тех пор, пока не достигается некоторая предельная концентрация (наступает насыщение). Это происходит при достижении равновесия, когда энтальпийный и энтропийный факторы сравняются, т. е. ΔН = ТΔS.
Например, при внесении кристаллов в жидкость с по– верхности кристалла в раствор переходят молекулы или ионы. Вследствие диффузии частицы равномерно рас– пределяются по всему объему растворителя. Растворе– ние идет до насыщения.
Раствор, содержащий при данной температуре мак– симальное количество растворенного вещества и нахо– дящийся в равновесии с избытком растворяемого ве– щества, называется насыщенным.
Перенасыщенный раствор – раствор, концентра–ция которого выше, чем в насыщенном.
Раствор с меньшей концентрацией, чем насыщен–ный, называют ненасыщенным.
Способность вещества растворяться в том или ином растворителе называется растворимостью. Численно растворимость вещества равна концентрации его на– сыщенного раствора.
Растворимость может быть выражена в тех же едини– цах, что и концентрация, например через количество растворенного вещества, содержащегося в 1 л насыщенного раствора, моль/л, или через массу растворенного вещества в 100 г насыщенного раствора. Единицей растворимости является грамм на 100 г растворителя. Соответствующая величина называется коэффициентом раствори–мости.
Растворимость зависит от природы растворяемого вещества и растворителя, температуры, давления, присутствия в растворе других веществ.
Влияние на растворимость природы компонентов. Способность веществ растворяться определяется характером сил взаимодействия между молекулами компонентов раствора Х1 и Х2 : растворитель –
растворитель (Х1 – Х1 ), растворенное вещество – растворенное вещество (Х2 – Х2 ), растворитель – растворенное вещество (Х1 – Х2 ) (точки обозначают
молекулярную связь).
Растворимость веществ колеблется в широких пре– делах. В примерах приведена растворимость различных солей в одном и том же растворителе (воде) и растворимость одного и того же вещества (АgNО3 ) в различных растворителях.
Термодинамика процесса растворения
•Растворение – сложный физико- химический процесс
•Дробление вещества
•Смешение веществ
•Изменение агрегатного состояния
•Образование химических соединений
Согласно второму началу термодинамики при р, Т = соnst вещества самопроизвольно могут растворяться в каком-либо растворителе, если в результате этого процесса энергия Гиббса системы уменьшается, т. е.
ΔG = (ΔН – ТΔS) < 0.
Величину ΔН называют энтальпийным фактором, а величину ТΔS
– энтропийным фактором растворения.
При растворении жидких и твердых веществ энтропия системы обычно возрастает (ΔS > 0), так как растворяемые вещества из более упорядоченного состояния переходят в менее упорядоченное.
Вклад энтропийного фактора, способствующий увеличению растворимости, особенно заметен при повышенных температурах, потому что в этом случае множитель Т велик и абсолютное значение произведения ТΔS также велико, соответственно возрастает убыль энергии Гиббса.
При растворении газов в жидкости энтропия системы обычно уменьшается (ΔS < 0), так как растворяемое вещество из менее упорядоченного состояния (боль–шого объема) переходит в более упорядоченное (ма–лый объем). Снижение температуры благоприятствует растворению газов, потому что в этом случае множи–тель Т мал и абсолютное значение произведения ТΔS будет тем меньше, а убыль энергии Гиббса тем больше, чем ниже значение Т.
В процессе образования раствора энтальпия систе–мы также может как увеличиваться (NаСI), так и умень–шаться (КОН). Изменение энтальпии процесса раство–рения нужно рассматривать в соответствии с законом Гесса как алгебраическую сумму эндо– и экзотермиче–ских вкладов всех процессов, сопровождающих про– цесс растворения. Это эндотермические эффекты раз–рушения кристаллической решетки веществ, разрыва связи молекул, разрушения исходной структуры рас–творителя и экзотермические эффекты образова–ния различных продуктов взаимодействия, в том числе сольватов.