2. Свойства растворов

Растворами называются гомогенные системы, состоящие из двух и более компонентов, состав которых в определенных пределах может непрерывно изменяться. Различают газообразные, жидкие и твердые растворы. Растворы бывают идеальные (разбавленные и совершенные) и реальные. Состав растворов задается качественно и количественно.

1. Способы задания концентрации растворов

Количественно состав растворов может быть выражен различными способами. При задании состава растворов индекс 1 присваивается растворителю, а индексы 2, 3 и т. д. – растворенным веществам.

Массовая доля компонента в растворе w_i равна отношению массы данного компонента (g_i) к общей массе всех компонентов раствора:

(2.1)

Массовая доля является безразмерной величиной. Для выражения состава раствора в массовых процентах величину w_i необходимо умножить на 100. При задании состава металлургических систем принято массовые проценты компонентов в металле указывать в квадратных скобках, в шлаке – в круглых.

Мольная доля компонента в растворе N_i равна отношению числа молей данного компонента n_i в растворе к суммарному количеству молей всех компонентов раствора:

(2.2)

Мольная доля является безразмерной величиной. Для выражения состава раствора в мольных процентах величину N_i необходимо умножить на 100.

Сумма массовых или мольных долей всех компонентов раствора равна 1, а если состав раствора задан в массовых или мольных процентах, то их сумма для всех компонентов раствора равна 100 %.

Молярная концентрация компонента С_i (или молярность) – это количество молей данного компонента n_i, растворенного в 1 л раствора:

(2.3)

где V – объем раствора, л. Размерность молярности – моль/л.

Нормальная концентрация компонента C_N (или нормальность) – это количество грамм-эквивалентов данного компонента Э_i, растворенного в 1 л раствора:

(2.4)

Размерность нормальности – г-экв/л.

Моляльная концентрация компонента m_i (или моляльность) равна числу молей данного компонента n_i, приходящемуся в растворе на 1000 г растворителя:

или (2.5)

где g₁ – масса растворителя, г; М_i – молярная масса компонента i, г/моль.

Для перехода от одного способа задания концентрации растворов к другому необходимо знать не только количество каждого компонента в растворе, но и молярную массу веществ, а также плотность раствора.

П р и м е р 2.1. Рассчитать молярность, моляльность и мольную долю серной кислоты (H₂SO₄) в воде, если массовая доля серной кислоты составляет 98 %, плотность раствора ρ = 1,84 г/мл, молярные массы воды М₁ = 18 г/моль, серной кислоты М₂ = 98 г/моль.

Р е ш е н и е

Зададим массу всего раствора (Σg_i), равную 100 г. Так как по условию массовое содержание серной кислоты составляет 98 %, то в заданном количестве раствора содержится 98 г серной кислоты (g₂), а воды (g₁) – 2 г.

Находим объем заданного количества раствора:

V = Σg_i/ρ = 100/ 1,84 = 54,35 мл =0,05435 л.

Количество молей каждого компонента раствора:

n₁ = g₁/M₁ = 2/18 = 0,1111 моль;

n₂ = g₂/M₂ = 98/98 = 1 моль.

Общее количество молей веществ в растворе:

Σn_i = 0,1111 + 1 = 1,1111 моль.

Молярность серной кислоты (С₂):

C₂ = n₂/V = 1/0,05435 = 18,40 моль/л.

Моляльность серной кислоты (m₂):

m₂ = n₂· 1000/g₁ = 1· 1000/2 = 500 моль/1000 г.

Мольная доля серной кислоты в растворе:

N₂ = n₂/ Σn_i = 1/1,1111 = 0,90 (или 90 %).