5.2 Характеристика растворов. Способы выражения их концентрации.

Энергетика растворения. Образование раствора — самопроиз­вольный процесс, сопровождающийся уменьшением свободной энергии, G<0. Если процесс растворения закончился (насыщенный раствор), то система пришла к состоянию равновесия, G=0.

Энергетической характеристикой процесса растворения является энтальпия образования раствора, которая при образовании растворов может, как возрастать, так и уменьшаться. Так, при растворении газов энтальпия уменьшается; растворение жидких и твердых веществ может протекать как с повышением, так и с уменьшением энтальпии.

Энтальпию образования раствора следует рассматривать как сум­му энтальпий всех процессов, сопровождающих растворение. К ним от­носятся: эндотермические процессы разрушения кристаллической ре­шетки, разрыва химических связей в растворяющихся веществах; экзо­термические процессы сольватации - химического взаимодействия раст­ворителя с растворяющимся, веществом; эндотермические процессы диффузии.

Образование растворов сопровождается изменением энтропии. Так, при растворении газов в жидкостях энтропия уменьшается, а при растворении твердых веществ - возрастает.

Если процесс растворения протекает экзотермически и с уменьше­нием энтропии ( H<0, S<0), то самопроизвольному течению процесса будут способствовать низкие температуры, в соответствии с уравнени­ем: G = Н - Т S

Таким образом, растворению газов в воде способствуют низкие температуры.

Растворение твердых веществ чаще идет с поглощением теплоты и увеличением энтропии ( Н>0, S>0). В этом случае процессу растворе­ния будет способствовать повышение температуры.

Растворимость. Из составных частей раствора одно вещество счи­тается растворителем, остальные - растворенными веществами. Раство­ритель - это вещество, в среде которого равномерно распределены раст­воренные вещества. Растворитель является основной составной частью раствора и обычно присутствует в нем в большем количестве.

Растворение вещества в растворителе происходит до образования насыщенного раствора. Раствор, в котором устанавливается динамичес­кое равновесие между растворением вещества и его выделением из раст­вора, называется насыщенным. При этом изменение энергии Гиббса системы равно нулю.

Концентрация вещества в насыщенном растворе в данном раство­рителе и при данных условиях, называется его растворимостью. Чис­ленно растворимость может быть выражена также как и концентрация. Например, числом молей растворенного вещества содержащимся в 1 л насыщенного раствора или числом единиц массы безводного вещества, насыщающего при данных условиях 100 единиц массы растворителя. Если в 100 г воды растворяется более 10 г вещества, то такое вещество является хорошо растворимым; если менее 1 г вещества - малораство­римым; если менее 0,01 г - практически нерастворимым.

Раствор, концентрация которого меньше растворимости вещества для данных условий, является ненасыщенным. Если же концентрация вещества в растворе выше его растворимости, то он называется пересы­щенным.

На растворимость веществ оказывает влияние температура. Так как растворение твердых веществ - процесс эндотермический, то при повышении температуры растворимость большинства солей растет. Рас­творение газов является экзотермическим процессом, поэтому их раст­воримость уменьшается с увеличением температуры. Взаимная раство­римость жидкостей растет с повышением температуры, до температуры, при которой жидкости смешиваются в любых соотношениях.

Давление оказывает наибольшее влияние на растворимость газов. При постоянной температуре, растворимость газов в жидкости пропор­циональна их парциальному давлению над жидкостью (закон Генри).

Способы выражения концентрации раствора. Концентрацией раствора называется содержание растворенного вещества в определен­ной массе или известном объеме раствора или растворителя.

Массовая доля показывает, сколько единиц массы растворен­ного вещества содержится в 100 единицах массы раствора. Ее выра­жают в долях единицы или в процентах.

где - массовая доля (%) растворенного вещества;

m₁- масса растворенного вещества, г (кг);

m₂ - масса раствора, г (кг).

Задача. В какой массе воды следует растворить 30 г хлорида натрия для получения раствора, в котором массовая доля NaCl равна 6%?

Решение.

Раствор состоит из растворенного вещества и растворителя, поэтому масса раствора т₂ может быть выражена следующим образом:

m₂=m₁+m_в, где m_в, - масса воды.

Тогда формула для расчета массовой доли будет иметь вид:

Отсюда:

После подстановки числовых значений, получим: = 30(100-6)/6 = 470 г.

Мольно - объемная концентрация, или молярность См, показы­вает число молей растворенного вещества, содержащихся в 1 л раство­ра. Молярную концентрацию (моль/л) выражают формулой:

где m₁ - масса растворенного вещества, г;

М - молярная масса, г/моль;

V - объем раствора, л.

Задача. Водный раствор содержит 577 г H₂S0₄ в одном литре. Плот­ность раствора р = 1335 кг/м³ . Вычислите массовую долю H₂S0₄ в рас­творе и его молярную концентрацию.

Решение. Масса раствора равна произведению объема раствора V на его плотность р, m₂ = V р, тогда

m₁ = 0,577 кг, V = 10 ^-Зм³, р = 1335 кг/м³, массовая доля H₂SO₄ в

растворе равна:

Молярную концентрацию выражают формулой:

Молярная масса серной кислоты равна 98 г/моль. Молярность раствора равна: С_м = 577 / 98 1 = 5,9 моль/л.

Эквивалентная концентрация, или нормальность раствора C_N,

показывает число молярных масс эквивалентов растворенного вещест­ва, содержащихся в одном литре раствора. Нормальность раствора (моль/л) вычисляют по формуле:

где m₁ - масса растворенного вещества, г;

m_э - молярная масса эквивалента растворенного вещества, г/моль;

V - объем раствора, л.

Вещества взаимодействуют между собой в эквивалентных соотно­шениях, поэтому растворы равной нормальности реагируют в равных объемах. При разных нормальностях объемы растворов реагирующих веществ обратно пропорциональны их нормальностям:

Титр раствора показывает число граммов растворенного вещест­ва в 1см³ (1мл) раствора. Титр вычисляют по формуле: где C_N - нормальность раствора, моль/л;

m_э - молярная масса эквивалента растворенного вещества, г/моль

Задача.

Рассчитайте молярную долю глюкозы С₆Н₁₂О₆ и воды в растворе с мас­совой долей глюкозы 54%.

Решение. Молярную долю глюкозы можно вычислить по формуле:

где n₁ - число молей глюкозы;

n₂ - число молей воды.

Определяем количество глюкозы и воды: молярные массы глюкозы и воды соответственно равны 180 г/моль и 18 г/моль;

n₁ = 54/180 = 0,3 моль, n₂ = 46/18 = 25,9 моль. Молярная доля глюкозы равна:

Молярная доля воды равна:

Задача. Вычислите моляльную, молярную, эквивалентную концентра­цию раствора хлорида железа с массовой долей FeCl₃ 20%, плотностью раствора 1182 кг/м³.

Решение.

Массовая доля показывает, сколько грамм растворенного вещества содержится в 100 г. раствора.

где - массовая доля (%) растворенного вещества;

m₁ - масса растворенного вещества, г;

m₂ - масса раствора, г.

Масса раствора т₂ равна произведению объема раствора V на его плот­ность р, m₂ = p V, тогда:

Вычислим массу FeCl₃ в одном литре раствора по данной массовой доле и плотности.

Молярность С_M, показывает количество растворенного вещества, содер­жащихся в 1 л раствора. Молярную концентрацию (моль/л) выражают формулой:

где m₁ - масса растворенного вещества, г;

М - молярная масса, г/моль;

V - объем раствора, л.

Молярная масса FeCl₃ = 162,5 г/моль. Подставляем значения величин в формулу:

Нормальность раствора С_N, показывает число эквивалентов растворен­ного вещества, содержащихся в одном литре раствора. Нормальность раствора (моль/л) вычисляют по формуле:

где m₁ - масса растворенного вещества, г;

m_э - молярная масса эквивалента растворенного вещества, г/моль;

V - объем раствора, л.

Эквивалентная масса FeCl₃: m_э= 162,5 / 3 = 54,17 г/моль. Подставляем значения величин в формулу:

Молялъность С_m (моль/кг), показывает число молей растворенного ве­щества, содержащихся в 1 кг растворителя:

где С_m - моляльность раствора, моль/кг;

m₁ - масса растворенного вещества, г;

М - молярная масса, г/моль;

m_з - масса растворителя, г.

В 1182 г раствора содержится 236,4 г FeCl₃ , следовательно, масса во­ды:

m₃= 1182 -236,4 =945,6 г.

Подставляем значения величин:

Растворение вещества происходит до образования насыщенного раствора, при этом G=0. На растворимость веществ оказывает влияние температура; давление в большей степени влияет на растворимость га­зов.

Процессы растворения сопровождаются энергетическими эффекта­ми.

Растворы состоят из растворенного вещества и растворителя. Ко­личественно состав раствора можно выразить через его концентрацию. Способы выражения концентрации раствора: молярность, нормальность, титр, моляльность, массовая доля, молярная доля.