Раздел 7. Растворы. Концентрация растворов

7.1. Теоретическая часть

Раствор – это однородная многокомпонентная система, состоящая из растворителя, растворённых веществ и продуктов их взаимодействия.

По агрегатному состоянию растворы могут быть жидкими (морская вода), газообразными (воздух) или твёрдыми (многие сплавы металлов). Размеры частиц в истинных растворах – менее 10^-9 м (порядка размеров молекул). Если молекулярные или ионные частицы, распределённые в жидком растворе присутствуют в нём в таком количестве, что при данных условиях не происходит дальнейшего растворения вещества, раствор называется насыщенным. (Например, если поместить 50 г NaCl в 100 г H₂O, то при 20 ºC растворится только 36 г соли).

Насыщенным называется раствор, который находится в динамическом равновесии с избытком растворённого вещества.

Ненасыщенный раствор – раствор, содержащий меньше растворенного вещества, чем в насыщенном.

Растворы образуются при взаимодействии растворителя и растворённого вещества. Процесс взаимодействия растворителя и растворённого вещества называется сольватацией (если растворителем является вода – гидратацией). Растворение протекает с образованием различных по форме и прочности продуктов – сольватов. При этом участвуют силы как физической, так и химической природы. Процесс растворения вследствие такого рода взаимодействий компонентов сопровождается различными тепловыми явлениями. Энергетической характеристикой растворения является теплота образования раствора, рассматриваемая как алгебраическая сумма тепловых эффектов всех эндо- и экзотермических стадий процесса.

Предельная растворимость многих веществ в воде (или в других растворителях) представляет собой постоянную величину, соответствующую концентрации насыщенного раствора при данной температуре. Она является качественной характеристикой растворимости и приводится в справочниках в граммах на 100 г растворителя (при определённых условиях). Растворимость зависит от природы растворяемого вещества и растворителя, температуры и давления.

По свойствам кристаллические вещества подразделяются на:

P – хорошо растворимые (более 1,0 г на 100 г воды);

M – малорастворимые (0,1 г - 1,0 г на 100 г воды);

Н – нерастворимые (менее 0,1 г на 100 г воды).

Растворимость зависит также от природы растворителя. При образовании раствора связи между частицами каждого из компонентов заменяются связями между частицами разных компонентов. Чтобы новые связи могли образоваться, компоненты раствора должны иметь однотипные связи, т.е. быть одной природы. Поэтому ионные вещества растворяются в полярных растворителях и плохо в неполярных, а молекулярные вещества - наоборот.

Растворимость зависит от температуры. Если растворение вещества является экзотермическим процессом, то с повышением температуры его растворимость уменьшается (например, Ca(OH)₂ в воде) и наоборот. Для большинства солей характерно увеличение растворимости при нагревании.

Существуют различные способы выражения состава раствора. Наиболее часто используют массовую и мольную долю растворённого вещества, молярную, моляльную и массовую концентрацию, а также молярную концентрацию эквивалентов (табл. 7.1).

Таблица 7.1

Способы выражения состава раствора

Определение	Расчетная формула	Единицы измерения
Мольная доля xj – отношение количества растворенного j-го вещества к общему количеству вещества в растворе (nj – количество j- го вещества в молях)		доли единицы
Моляльная концентрация cj мол – количество j-го компонента (в молях) в 1 кг растворителя (mj – масса j- го вещества, mA – масса растворителя, Мj – молекулярная масса j-го компонента)		Моль/кг растворителя
Молярная концентрация cj – количество j-го компонента (моль) в 1 л раствора (V – объем раствора, л)		Моль/л
Массовая доля ωj – отношение массы растворенного вещества к общей массе раствора (mj – масса j- го вещества)		доли единицы, проценты (%)
Массовая концентрация gj – масса j-го компонента в одном литре раствора		г/л
Молярная концентрация эквивалентов (нормальная) cN j – количество эквивалентов j-го компонента (моль) в 1 л раствора (nj экв – количество эквивалентов j- го вещества в молях)		г-экв/л

Мольную долю растворённого вещества x_j обычно выражают в долях единицы. Например, мольная доля растворённого вещества – CaCl₂ в воде равна 0,05. Это означает,что в 1 моль раствора хлорида кальция содержится 0,05 моль хлорида кальция и 0,95 моль воды.

Массовую долю растворённого вещества ω_j обычно выражают в долях единицы или в процентах. Например, массовая доля растворённого вещества – CaCl₂ в воде равна 0,06 или 6%. Это означает,что в растворе хлорида кальция массой 100 г содержится хлорид кальция массой 6 г и вода массой 94 г.

Молярная концентрация c_j показывает, сколько моль растворённого вещества содержится в 1 литре раствора. Молярная концентрация измеряется в моль/л и обозначается M. Например, 2 M раствор NaOH – двухмолярный раствор гидроксида натрия. Один литр такого раствора содержит 2 моль вещества или 80 г (M_(NaOH) = 40 г/моль).

Количество вещества, n_j (моль) рассчитывается по формуле:

где М_j - молярная масса вещества г/моль;

m_j – масса вещества г.

Для перехода от массовой доли растворенного вещества к массовой концентрации необходимо знать плотность раствора, ρ, исходя из того, что: .