Растворы: определение, природа растворения. Растворимость веществ. Способы выражения концентрации растворов.

       Раствор (Р) – гомогенная физико-химическая система перемешанного состава, состоящая из 2-х или более компонентов и продуктов их взаимодействия, например, Р Na2SO4 в воде, компоненты: вода, Na2SO4. продукты взаимодействия – ион Na+  и (SO4)2−.

Компонент, агрегатное состояние которого не меняется при растворении, принято считать растворителем. Если оба компонента до растворения находились в одинаковом агрегатном состоянии, то растворителем считается вещество, содержащееся в большем количестве. Если в состав Р входит вода, то независимо от ее количества она считается растворителем.

Р могут находится в различных агрегатных состояниях: газовые (смесь азота и кислорода), твердые (сплавы металлов), жидкие (водные и неводные – спиртовые, масляные)

Растворимостью называется способность частиц вещества равномерно распределяться среди частиц растворителя. По растворимости в воде все вещества условно делятся на хорошо растворимые (этанол, глюкоза), труднорастворимые (Ca SO4, PbCl2), практически нерастворимые (инертные газы, благородные металлы). Абсолютно нерастворимых веществ нет.

       Первой теорией, объясняющей процесс растворения была физическая теория растворов

Аррениуса, с т.з. которой Р рассматривался как механическая смесь, в которой отсутствует какое-либо взаимодействие между растворенным веществом и растворителем. В 1887 году Менделеев предложил химическую теорию растворов, согласно которой между растворенным веществом и растворителем осуществляется химическое взаимодействие с образованием сольватов (гидратов)

Сольваты – продукты переменного состава, которые образуются при химическом взаимодействии частиц растворенного вещества с молекулами растворителя. Если растворителем является вода, то образующиеся сольваты называют гидратами. Иногда эти соединения настолько неустойчивы, что их удается выделить из раствора в кристаллическом состоянии – их называют кристаллогидратами. - Cu SO4 ∙ 5H2O вода, входящая в состав кристаллогидратов, называется кристаллизационной. В настоящее время химическая теория растворов рассматривает Р как физико-химическую систему.

Процесс растворения – самопроизвольный процесс, при котором происходит распределение частиц растворенного вещества среди частиц растворителя, как за счет собственного колебательного движения, так и за счет притяжения частиц со стороны растворителя. Одновременно происходит и обратный процесс перехода растворенных частиц в кристаллы – кристаллизация.

Насыщенный Р – Р, находящийся в равновесии с растворяемым веществом. В НР содержится максимально возможное при данной t –ре количество растворенного вещества.

Ненасыщенный Р – Р, содержащий меньше растворенного вещества, чем в состоянии насыщения.

Перенасыщенный Р – Р, содержащий больше растворенного вещества, чем в состоянии насыщения. Такой Р – термодинамически неустойчивая система и его м получить только в специальных условиях, например при осторожном охлаждении НР.

Растворимость веществ.

Процесс растворения состоит из 2-х стадий. На 1-й происходит разрыв связи между молекулами (атомами или ионами) в растворимом веществе, требующий затрат энергии (эндотермический процесс). На 2-й стадии протекает процесс комплексообразования, т.е. возникают связи между частицами растворенного вещества и растворителя, что сопровождается выделением энергии (экзотермический процесс).

Процесс растворения сопровождается поглощением или выделением тепла. При растворении газов и жидкостей теплота обычно выделятся (например, с выделением теплоты протекает смешение спирта и воды). При растворении  в воде твердых веществ теплота может и выделяться(разложение КОН)  и поглощаться (растворение NH4NO3)

       Растворимость веществ зависит:

1. от природы растворимого вещества и растворителя – правило: подобное растворяется в подобном, т.е. вещества с ионной или ковалентной полярной связью лучше растворимы в полярных растворителях (вода) и плохо растворимы в неполярных (органические вещества)

2. от t –ры – неоднозначна. Если растворимость является эндотермическим процессом (с поглощением), то при повышении т-ры растворимость возрастает, что характерно для большинства твердых веществ. Растворимость газов сопровождается выделением энергии и с повышением т-ры будет уменьшаться.

3 от давления (Р) – существенно не влияет на растворимость жидких и твердых веществ, что связано с незначительным изменением объема в процесс растворения. Растворимость газов сопровождается существенным уменьшением объема и будет возрастать с увеличением Р.

Растворимостью или коэф-ом растворимости называют массу в-ва, способную при данной т-ре максимально раствориться в 100 г растворителя.

Р занимает промежуточное положение между химическими соединениями и механическими смесями. Как и химические процессы, растворение сопровождается тепловыми явлениями, изменениями объма, цвета (например, безводный Cu SO4 – белый порошок, а его водный раствор имеет голубое окрашивание). Как и химическое соединение, Р является гомогенным, но в отличии от химических соединений, Р не подчиняются закону постоянства состава, кроме того, они м.б. разделены на исходные компоненты, т.о. Р – физико-химическая система.

 

Концентрация Р-ов. Способы выражения концентрации растворов.

Состав любого Р м.б. выражен качественно и количественно. При качественной оценке Р используют такие понятия, как разбавленный и концентрированный, но такая оценка весьма условна. Количественный состав Р м выражаться как с помощью безразмерных единиц (в долях или %), так и через размерные единицы – концентрации.

Концентрациями Р-ра называют количество растворенного вещества, содержащегося в определенном количестве раствора или растворителя.

Массовая доля - это отношение массы растворенного вещества к общей массе раствора

   m р.в.                                        m р.в.

ω = ---------- (*) - в долях,    ω = ---------- ∙ 100% - в процентах

   m р-ра                                                     m р-ра

молярная к-ция–отношение количества растворенного вещества в молях к объему р-ра:

        ν р.в.

См = ----------- [ моль/л ]

       V р-ра

Нормальная концентрация - отношение числа молей эквивалента растворенного вещества к объему раствора:

         ν э

Сн = ----------- [ моль/л ]

      V р-ра

 

 

                      m р.в.                                 m р.в.                                   

        ν р.в. = ----------                   ν э = ------------

                           М                                       Мэ

Эквивалент – такая формульная единица (часть атома, молекулы или иона), которая соединяется с одним атомом Н, замещая его или равноценна ему, измеряется в а.е.м.)

               М к-ты

Мэ к-ты = -----------------, (основность определяется по числу атомов Н)

            основность

 

               М осн-я

Мэ осн-я = -----------------, (кислотность – число ОН групп)

            кислотность

 

                      М соли

Мэ соли = ----------------------------------  

            Число атомов Ме ∙ заряд Ме

 

                            М оксидов

Мэ оксидов = --------------------------------------------  

            Число атомов элемента ∙ заряд элемента

 

Растворимость вещества (S) - масса вещества, которая м.б. растворена при данных условиях в 100 г растворителя с образованием насыщенного раствора

  m р.в.                                       

S = ---------- ∙ 100 (здесь 100 – не %, а как бы г)

  m р-ля                                       

 

массовая доля безводного вещества в насыщенном растворе связана с его растворимостью соотношением:

          S                                                                                         S

ω = ----------, из (*) =>  m р.в./m р-ра = S / S+100 тогда: m р.в.= ---------- ∙ m р-ра 

   S + 100                                                                                   S + 100