Chemistry_1 / Растворы

73

Леккия №17

РАСТВОРЫ

План

1. Общая характеристика растворов.

2. Способы выражения концентрации растворов.

3. Термодинамика и механизм процесса растворения.

4. Растворимость.

5. Вода как растворитель. Значение растворов в жизнедеятельности организмов

1. Общая характеристика растворов.

Растворы – это гомогенные системы переменного состава, включающие два и более компонентов. Частицы компонентов раствора распределены по его объему в виде атомов, молекул или ионов (размер частиц 0,1 – 0,5 нм).

Образование растворов, в отличие от механических смесей, сопровождается изменением энтальпии, энтропии и объема системы.

По агрегатному состоянию различают газовые, жидкие и твердые растворы. Но обычно термин растворы относится к жидким системам.

2. Способы выражения концентрации растворов.

Относительное содержание компонентов в растворе определяется его концентрацией.

М олярная концентрация – это количество вещества, содержащееся в одном литре раствора (моль/л):

Э квивалентная концентрация – это число молей эквивалентов вещества, содержащихся в одном литре раствора (моль/л):

Эквивалент – это реальная или условная частица вещества, которая в кислотно-основной реакции эквивалентна одному иону водорода, а в окислительно-восстановительной эквивалентна одному электрону.

Масса одного моля эквивалентов называется молярной массой эквивалента вещества (Э). В разных реакциях одно и то же вещество может иметь разные эквиваленты.

Моляльная концентрация – это количество вещества, содержащееся в одном килограмме растворителя (моль/кг):

М ассовая доля равна отношению массы растворенного вещества к массе раствора:

М олярная доля равна отношению количества растворенного вещества в общему количеству веществ в растворе:

К ак правило, вещество обладает определенной растворимостью в данном растворителе. Под растворимостью понимают концентрацию вещества в насыщенном растворе.

3. Термодинамика и механизм процесса растворения

Растворение – сложный физико-химический процесс, включающий три основные стадии, каждая из которых характеризуется изменениями термодинамических функций Н и S:

1. разрушение химических и межмолекулярных связей в растворяемом веществе (например, разрушение кристаллической решетки): Н₁>0, S₁>0

2. химическое взаимодействие частиц растворенного вещества с растворителем (сольватация): Н₂<0, S₂<0

3. равномерное распределение частиц растворенного вещества в среде растворителя путем диффузии: Н₃>0, S₃>0

Согласно 2-му закону термодинамики условием самопроизвольности процесса растворения является убыль энергии Гиббса:

G = H - TS < 0,

которая складывается из энтальпийного Н и энтропийного TS факторов.

Растворение газов в жидкостях приводит к упорядочению системы и, следовательно, сопровождается уменьшением энтропии: S_р-ния<0. Движущей силой процесса растворения в этом случае является энтальпийный фактор и растворение большинства газов является процессом экзотермическим: Н_р-ния<0. Таким образом, самопроизвольное растворение газов возможно при низких температурах (|Н| > |TS|)

Растворение жидких и твердых веществ в жидкостях приводит к увеличению беспорядка в системе и увеличению энтропии: S_р-ния>0. Суммарный тепловой эффект процесса растворения определяется в основном слагаемыми Н₁ и Н₂ и в зависимости от их соотношения может и быть и положительным (NaCl), и отрицательным (NaOH). Растворение большинства кристаллических веществ – процесс эндотермический Н_р-ния>0, так как энергия, затрачиваемая на разрушение кристаллической решетки не компенсируется энергией, выделяемой за счет сольватации. Таким образом, самопроизвольному растворению большинства твердых веществ способствуют высокие тепмературы (|Н| < |TS|).

Растворы, образование которых не сопровождается изменениями объема системы и тепловыми эффектами (V=0, Н=0), называют идеальными. Движущей силой образования идеального раствора является увеличение энтропии системы. Идеальный раствор – понятие абстрактное. Реальные системы могут лишь приближаться к идеальным. Наиболее близки к модели идеального раствора системы, в которых компоненты близки по свойствам и практически не взаимодействуют друг с другом (например, раствор толуола в бензоле). Приближаются по свойствам к идеальным бесконечно разбавленные растворы, в которых взаимодействиях сводятся к минимуму за счет низкой концентрации растворенного вещества.

4. Растворимость

Под растворимостью понимают концентрацию растворенного вещества в насыщенном растворе.

Растворимость выражают в тех же единицах, что и концентрацию. Часто используют коэффициент растворимости s, равный массе растворенного вещества (г) в насыщенном растворе, содержащем 100 г растворителя.

Насыщенным называют раствор, который находится в равновесии с избытком растворяемого вещества (G_р-ния=0). Насыщенный раствор имеет максимально возможную в данных условиях концентрацию.

Растворимость зависит:

• от природы растворенного вещества и растворителя;

• от температуры;

• от давления;

• от присутствия третьих компонентов.

Влияние природы компонентов на растворимость определяется принципом: подобное растворяется в подобном. Полярные растворители, например, вода, хорошо растворяют вещества с ионной связью (неорганические соли, кислоты и основания). Хорошей растворимостью в воде обладают полярные органические соединения, образующие с молекулами растворителя водородные связи (спирты, карбоновые кислоты, амины). Неполярные растворители, например, углеводороды, растворяют неполярные и малополярные соединения (жиры).

Влияние температуры на растворимость зависит от теплового эффекта растворения и определяется принципом Ле Шателье. Повышению растворимости газов способствует понижение температуры, так как растворение газов – процесс экзотермический. Растворимость большинства твердых веществ и жидкостей - процесс эндотермический и возрастает при повышении температуры.

Влияние давления существенно только в том случае, если при растворении происходит значительное изменение объема системы, что наблюдается при растворении газов в жидкостях. Растворимость газов растет с увеличением давления, так как сопровождается уменьшением объема системы.

Закон Генри:

Количество газа, растворенного в определенном объеме жидкости при постоянной температуре прямо пропорционально давлению газа.

c(X) = K_гp(X)

где c(X) – молярная концентрация газа,моль/л

K_г - константа Генри, моль/лПа

p(X) – давление газа над раствором, Па

Влияние присутствия третьих компонентов.

Растворимость газов в жидкостях значительно снижается в присутствии электролитов (солей) Этот процесс называют высаливанием.

Закон Сеченова:

Растворимость газов в жидкостях в присутствии электролитов понижается.

С(X) = С₀(X)

где С(X) – растворимость газа в присутствии электролита

С₀(X) – растворимость газа в чистом растворителе

К_С - константа Сеченова

С_э - концентрация электролита

Биологическое значение законов Генри и Сеченова.

Изменение растворимости газов в крови при изменении давления может привести к тяжелым заболеванием. Кесонная болезнь у водолазов – проявление закона Генри. В соответствии с законом Сеченова растворимость кислорода и углекислого газа в крови зависит от концентрации электролитов, а также белков, липидов и других веществ.

5. Вода как растворитель. Значение растворов в жизнедеятельности организмов

Самым распространенным растворителем на нашей планете является вода. У животных и растительных организмов содержание воды составляет обычно более 50%, а в ряде случаев достигает 90-95%.

Вода хорошо растворяет многие ионные и полярные соединения. Такое свойство воды связано с ее высокой диэлектрической проницаемостью (= 78,5). В результате многие ионные соединения диссоциируют и отличаются высокой растворимостью в воде. Другой класс веществ, хорошо растворимых в воде, составляют полярные органические соединения (спирты, альдегиды, кетоны). Их растворимость обусловлена образованием водородных связей с молекулами воды.

Важны и другие аномальные свойства воды: высокое поверхностное натяжение, низкая вязкость, высокие температуры плавления и кипения, более высокая плотность в жидком состоянии, чем в твердом.

Вследствие высокой полярности вода вызывает гидролиз веществ (эфиров, амидов и др.). Так как вода составляет основную часть внутренней среды организма, то она обеспечивает процессы всасывания, передвижения питательных веществ и продуктов обмена в организме.

Важнейшие биологические жидкости – кровь, лимфа, моча, слюна, пот являются растворами солей, белков, углеводов, липидов в воде. Биохимические процессы в живых организмах протекает в водных растворах.

В жидких средах организма поддерживается постоянство рН, концентрации солей и органических веществ, постоянство осмотического давления. Такое постоянство называется гомеостазом. Приведенные примеры показывают, что учение о растворах представляет особый интерес для медиков.

73