18. Способы выражения концентрации.

Количественный состав раствора чаще всего выражается с помощью понятия «концентрации», под которым понимается со­держание растворенного вещества (в определенных единицах) в единице массы или объема.

Договорились растворенное вещество обозначать через X, а растворитель - через S.

Чаще всего для выражения состава раствора используют мас­совую долю, молярную концентрацию (молярность) и мольную долю.

Массовая доля - это отношение массы растворенного ве­щества к общей массе раствора. Для бинарного раствора:

        (1)

где ω(Х) - массовая доля растворенного вещества X; m(Х) масса растворенного вещества X, г; m(S) - масса растворителя S, г; m= [m(Х) + m(S)] - масса раствора, г.

Массовую долю выражают в долях единицы или в процентах (например: ω = 0,01 или ω = 1%).

Молярная концентрация (молярность) показывает число молей растворенного вещества, содержащегося в 1 литре раствора:

С(Х) = v(Х) / V,            (2)

где С(Х) - молярная концентрация растворенного вещества X, моль/л; v(Х) - количество растворенного вещества X, моль; V - объем раствора, л.

Как следует из (2), молярная концентрация выражается в моль/л. Эта размерность иногда обозначается М, например: 2МNаОН.

Мольная доля растворенного вещества - безразмерная вели­чина, равная отношению количества растворенного вещества к общему количеству веществ в растворе:

             (3)

где N(Х) - мольная доля растворенного вещества X; v(Х) - ко­личество растворенного вещества X, моль; v(S) - количество вещества растворителя S, моль.

Нетрудно представить, что сумма мольных долей растворенного вещества и растворителя равна 1:                                       

                                                            N(X) + N(S) = 1.                (4)

При решении многих задач полезно переходить от молярной концентрации к массовой доле, мольной доле и т.д. Например, молярная и процентная концентрации взаимосвязаны так:

                                               C(X) = 10 ∙ ω(X) ∙ ρ / M(X),           (5)

                                               ω(X) = C(X) ∙ M(X) / (10 ∙ ρ)              (6)

где ω(Х) - массовая доля растворенного вещества, выраженная в %; М(Х) - молярная масса растворенного вещества, г/моль; р = m/(1000 V) - плотность раствора, г/мл.

Очень часто концентрацию насыщенного раствора, наряду с вышеперечисленными характеристиками, выражают через так на­зываемый коэффициент растворимости или просто раствори­мость вещества.

Отношение массы вещества, образующего насыщенный рас­твор при данной температуре, к массе растворителя называют коэффициентом растворимости:

k_s = m_в-ва / m_{р-ля .}                   (7) 

Растворимость вещества s показывает максимальную массу вещества, которая может раствориться в 100 г растворителя:

s = (m_в-ва / m_р-ля) ∙ 100.        

19. Диссоциация кислот, оснований и солей в воде.

Кислотаминазываются электролиты, диссоциирующие в водных растворах с образованием ионов водорода и не дающие никаких других положительно заряженных ионов. При диссоциации анионы кислоты наряду с катионами водорода образуются анионы кислотного остатка. Например: От наличия ионов водорода зависят кислотные свойства растворов. Кислота тем сильнее, чем больше в растворе концентрация ионов водорода. Общие свойства кислот: 1) способность взаимодействовать с основаниями с образованием солей; 2) способность взаимодействовать с некоторыми металлами с образованием водорода; 3) способность изменять цвета индикаторов, в частности, вызывать красную окраску лакмуса; 4) кислый вкус.

Электролитическая диссоциация – распад электролитов на ионы при растворении в воде или расплавлении. Этот процесс изображают с помощью уравнений диссоциации:

NaCl = Na⁺ + Cl^-

HCl = H⁺ + Cl^-

Na₂SO₄ = 2Na⁺ + SO₄^2-

Если через раствор или расплав электролита пропускать электрический ток, то положительные ионы будут двигаться к отрицательному электроду – катоду. Положительные ионы получили название катионы.

Отрицательные ионы будут двигаться к положительному электроду – аноду, и называются анионами.

Следовательно, при диссоциации солей образуются катионы металла и анионы кислотного остатка (в состав солей могут входить и другие ионы). При диссоциации кислот образуются в качестве катионов ионы водорода, и анионы кислотных остатков.

Механизм диссоциации электролитов при растворении в воде:

Многие соли – вещества с ионной связью, состоят из положительных и отрицательных ионов, связанных за счет притягивания противоположных зарядов. При растворении в воде происходит гидратация ионов – взаимодействие ионов с полярными молекулами воды. Это уменьшает притяжение между ионами соли и делает возможным переход гидратированных, т.е. связанных с молекулами воды, ионов в раствор (этому способствует тепловое движение частиц).

При выпаривании соли из раствора часть воды может оставаться в составе получаемых кристаллов – кристаллизационная вода. Например, сульфат меди (II) при выпаривании из раствора образует медный купорос (синего цвета), содержащий 5 моль воды на 1 моль соли. Формула медного купороса записывается как CuSO₄•5H₂O – точка обозначает связь между молекулами воды и ионами в составе сульфата меди(II).

При длительном нагревании медного купороса кристаллизационная вода улетучивается и соль приобретает белый цвет. Синий цвет растворов, содержащих  ионы меди (II), свидетельствует о том, что в растворе находятся гидратированные ионы.

У оснований механизм диссоциации такой же, как и у солей. Растворимые основания – щелочи, – диссоциируют с образованием катиона металла и гидроксид-ионов:

NaOH = Na⁺ + OH^–

Кислоты содержат ковалентные полярные связи. Так, молекула хлороводорода поляризована:

H^δ+Cl^δ-

(δ+ и δ- означают частичные заряды, меньше единицы). При растворении в воде в результате гидратации поляризация молекулы усиливается и происходит разрыв связи между водородом и кислотным остатком с образованием положительного иона водорода и отрицательного иона кислотного остатка.

Ионом водорода называют именно гидратированный протон и обозначают H₃O⁺, но для простоты записывают H⁺

Согласно экспериментальным данным, в растворах не обнаружены частицы H₃O⁺. Анализ показывает наличие катионов, включающих две молекулы воды: H₅O₂⁺

Основатель теории диссоциации электролитов в растворах – шведский ученый Сванте Аррениус. Гидратная теория растворов разработана Д.И.Менделеевым

При расплавлении электролитов разрыв связей с образованием ионов происходит за счет увеличения энергии частиц при нагревании.