Растворы

1. Растворы

Доцент кафедры ХИМ
Ковынева Н.Н.

2. Растворы

«Вода стоит особняком
в истории нашей планеты.
Нет природного тела, которое
могло бы сравниться с ней
По влиянию на ход основных
самых грандиозных процессов»
В.И. Вернадский

3. Роль растворов в природе

¾ земного шара занимает вода
97% воды приходится на океаны и моря
3% на озёра, реки, подземные воды
животные организмы содержат до 70%
плоды огурца, арбуза содержат 90%
тело человека содержит 65%
Все физиологические жидкости
(кровь, лимфа) являются растворами
3

4. Роль растворов в природе

4

5. Роль растворов в природе

5

6.

Растворами называются термодинамически устойчивые
гомогенные системы, состоящие из двух и более веществ,
а также продуктов их взаимодействия между собой.
Растворитель — компонент, агрегатное состояние
которого не изменяется при образовании раствора.
При одинаковых агрегатных состояниях компонентов
растворителем считают то вещество, содержание которого
в растворе больше.
Жидкие растворы, в которых в качестве растворителя
выступает Н2О, называются водными. Если растворителем
является какая-то другая жидкость – неводными.
Растворенное вещество — компонент,
молекулы или ионы которого равномерно
распределены в объеме растворителя.
6

7. Классификации растворов

7

8. КОНЦЕНТРАЦИЯ РАСТВОРОВ

Концентрация вещества
(компонента раствора) — физическая
величина, размерная или
безразмерная, измеряемая
количеством (массой) растворенного
вещества, содержащегося в
определенной массе, объеме раствора
или массе растворителя.
8

9. КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ

Безразмерные концентрации
1. Массовая доля растворенного вещества ω
– это отношение массы растворенного
вещества к массе раствора,
выражается в долях единицы:
mв ва
mв ва
m р ра mв ва m р рителя
или в процентах:
mв ва
mв ва
100%
100%
m р ра
mв ва m р рителя
9

10. КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ

10

11. КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ

11

12. КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ

12

13. КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ

13

14. КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ

14

15. КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ

Безразмерные концентрации
2. Объемная доля растворенного вещества ωV
– это отношение объема растворенного
вещества к объему раствора,
выражается в долях единицы:
Vв ва
Vв ва
V
V р ра Vв ва V р рителя
или в процентах:
Vв ва
Vв ва
V
100%
100%
V р ра
Vв ва V р рителя
15

16. КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ

Безразмерные концентрации
3. Мольная доля растворенного вещества χ
– это отношению количества вещества (nв-ва)
к суммарному количеству всех веществ,
входящих в состав раствора,
выражается в долях единицы или в процентах:
nв ва
nв ва n р рителя
nв ва
100%
nв ва n р рителя
Сумма массовых, объемных или мольных долей
всех компонентов раствора равна единице.
16

17. КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ

Размерные концентрации
1. Молярная концентрация или молярность (См)
показывает число моль растворенного вещества
в 1 л раствора, моль/л (М):
nв ва
mв ва
СM
V р ра M в ва V р ра
1 М раствор Н2SO4 содержит
98 г кислоты в 1 л раствора
17

18. КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ

Размерные концентрации
2.
Эквивалентная концентрация или
нормальность (Сн или N) показывает
количество эквивалентов растворенного
вещества в 1 л раствора, моль/л (н):
mв ва
СН
mэкв V
1 н раствор Н2SO4 содержит
49 г кислоты в 1 л раствора
18

19. КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ

Размерные концентрации
3.
Титр (Т) показывает число грамм растворенного
вещества в 1 мл (или в 1 см3) раствора, г/мл:
C Н mэкв
T
1000
19

20. КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ

Размерные концентрации
4. Моляльная концентрация или моляльность (Сm)
показывает число молей растворенного
вещества в 1 кг растворителя, моль/кг:
mв ва 1000
Сm
М в ва m р ля
20

21. Задача 1. Определить СМ, Сн, T и ω раствора, содержащего 18 г H3PO4 в 300 г водного раствора. ρ(Н3РО4) = 1,031 г/см3.

Решение:
1) Найдем массовую долю растворенного вещества:
mв ва 100% 18 100
6%
m р ра
300
2) Найдем массу 1 л раствора Н3РО4:
m
V
m V 1000 1,031 1031г
21

22.

3) Найдем массу растворенного вещества
в 1 л раствора
1031 100%
x 6%
1031 6
x
61,86 г
100
4) Найдем молярность раствора:
M ( H 3 PO4 ) 1 3 31 16 4 98г / моль
m( H 3 PO4 )
61,86
СМ
0,63моль / л
M ( H 3 PO4 ) V р ра 98 1
22

23.

5) Найдем нормальность раствора:
mэ ( H 3 PO4 ) 98 / 3 32,7г / моль
m( H 3 PO4 )
61,86
СН
1,89 моль / л
mэ ( H 3 PO4 ) V р ра 32,7 1
7) Определим титр раствора:
1,89 32,7
T
0,06186г / мл
1000
23

24. Задача 2. Какой объем 98% Н2SO4 c ρ = 1,84 г/см3 потребуется для приготовления 2 л 0,4 н. раствора?

M H 2 SO4 98г / моль; mЭ ( H 2 SO4 ) 49г / моль
mв в а
СН
mэкв V
mв ва 2 0,4 49 39,6г
mв ва
100%
m р ра
m р ра mв ва m р рителя
m
V
39,6
m р ра
40 г
0,98
40
V р ра
21,7 мл
1,84
24

25. Механизм образования растворов

При растворении происходит физико-химическое
взаимодействие растворяемого вещества с молекулами
растворителя, в результате которого разрушается его
исходная структура, и происходит образование новой
структуры, свойственной раствору.
25

26. Механизм образования растворов

При растворении происходит процесс измельчения
(диспергирования) растворяемого вещества до отдельных
молекул или ионов и их равномерное распределение
во всем объеме раствора.
Осуществляется за счет действия молекул
растворителя на вещество
и протекания процесса диффузии.
На этой стадии энергия всегда затрачивается,
т.к. она необходима для разрыва связей
в кристаллической решетке твердого вещества.
26

27. Механизм образования растворов

При растворении происходит взаимодействие частиц
растворенного вещества (молекул или ионов) с молекулами
растворителя и образуются химические соединения:
гидраты (если в роли
растворителя выступает Н2О),
сольваты (если растворителем
выступает любая другая
жидкость).
Образование гидратных (сольватных) оболочек всегда
сопровождается выделением энергии. При гидратации ионов
количество выделившейся энергии и число удерживаемых
молекул воды зависят от величины их заряда и радиуса. 27

28. Образование сольватов (гидратов)

В зависимости от природы растворенного вещества
сольваты (гидраты) могут образовываться
в результате физических и химических взаимодействий.
Физические взаимодействия:
ион-дипольные (при растворении веществ
с ионным типом связи);
диполь-дипольные (при растворении веществ
с ковалентным типом связи).
28

29. Образование сольватов (гидратов)

Химические взаимодействия осуществляются за счет
образования донорно-акцепторных связей.
Ионы растворенного вещества являются акцепторами,
а молекулы растворителя (Н2О, NH3) – донорами
электронных пар.
Образующиеся комплексные соединения называются
аквакомплексами – если растворитель Н2О
[Cu(H2O)6]2+, [Al(Н2О)6]3+
аммиакатами – если растворителем является NH3
[Cu(NH3)4]2+
29

30. Гидраты и кристаллогидраты

В большинстве гидраты (сольваты) являются
непрочными и легко разрушаются при слабом нагревании.
Но иногда гидратные соединения настолько устойчивы,
что выпадают из раствора в виде кристаллов,
которые называются иначе кристаллогидратами,
а содержащаяся в них Н2О – кристаллизационной.
В химических формулах кристаллогидратов
молекулы Н2О пишутся через точку.
Примеры:
CuSO4 · 5H2O – медный купорос
Na2SO4 · 10H2O – глауберова соль
CaSO4 · 2H2O – гипс
30

31. Гидраты и кристаллогидраты

CuSO4 · 5H2O
медный купорос
Na2SO4 · 10H2O
глауберова соль
31

32.

Образование раствора сопровождается тепловым эффектом.
Если энергия, которую надо затратить на разрушение
кристаллической решетки твердого тела,
больше энергии сольватации,
то процесс растворения протекает с поглощением теплоты
(с повышением температуры растворимость увеличивается).
Если на разрушение кристаллической решетки нужно
затратить меньше энергии, чем энергия сольватации,
то процесс растворения протекает с выделением теплоты
(с повышением температуры растворимость уменьшается).
Теплоту, выделяемую или поглощаемую при растворении
1 моля вещества называют его теплотой растворения
(Qраств.).
32

33. Растворимость Растворимость твердых веществ в жидкости

Растворимость или коэффициент растворимости (S)
– максимальное количество вещества в граммах,
способное растворится при данной температуре в
100 г растворителя.
При необходимости коэффициент растворимости определяется
и для другого количества растворителя
(например, для 1000 г, 100 см3, 1000 см3 и т.д.)
хорошо растворимые (Р): S > 1 г (на 100 г растворителя);
мало растворимые (М): 0,01 < S < 1 г;
нерастворимые (Н): S < 0,01 г.
33

34. Факторы, влияющие на растворимость

природа растворителя и растворяемого
вещества
«Подобное растворяется в подобном»
Установлено опытным путем, что в растворителе,
молекулы которого полярны, лучше всего растворяются
вещества, образованные ионными или ковалентными
полярными связями. А в растворителе, молекулы которого
неполярны, лучше растворяются вещества, образованные
слабополярными или неполярными ковалентными
связями.
наличие в растворе других веществ,
внешние условия (давление, температура)
34

35.

35

36.

При повышении температуры растворимость
большинства твердых веществ увеличивается, например:
t, oC
0
20
40
60
80
KNO3, ks
0,131
0,316
0,639
1,101
1,688
Ba(OH)2, ks
0,017
0,039
0,082
0,200
1,014
Встречаются твердые вещества, растворимость которых
уменьшается при повышении температуры:
t, oC
0
10
20
30
40
60
80
Li2CO3, ks 0,154 0,143 0,133 0,125 0,117 0,101 0,087
Li2SO4, ks 0,353 0,350 0,342 0,335 0,328 0,319 0,307
36

37.

Классификация растворов
по признаку растворимости
Ненасыщенный – такой раствор, в котором при данной
температуре вещество еще может растворяться.
Насыщенный – такой раствор, в котором при данной
температуре вещество больше не растворяется.
Пересыщенный – содержит больше вещества, чем его
насыщенный раствор.
37

38.

Насыщенные растворы
Между веществом в насыщенном растворе и
веществом в осадке устанавливается состояние
гетерогенного равновесия.
Частицы растворенного вещества
переходят через поверхность раздела
из жидкой фазы (раствора) в твердую
фазу (осадок) и обратно,
поэтому состав насыщенного раствора
остается постоянным
при фиксированной температуре.
38

39.

Пересыщенные растворы
Получают пересыщенные растворы медленным и
осторожным охлаждением насыщенного раствора.
Такие растворы крайне нестабильны.
Механическое воздействие
или добавление центра
кристаллизации может
вернуть систему в состояние
насыщенного раствора.
Избыток вещества образует
новую фазу
(выпадает в осадок).
39

40. Растворимость жидкости в жидкости

При смешивании жидкостей в зависимости от их
природы, характера и силы взаимодействия между
молекулами возможны 3 случая:
1.
Неограниченная растворимость –
жидкости смешиваются в любых пропорциях
с образованием однородного раствора
(H2O + этанол; H2O + глицерин)
40

41. Растворимость жидкости в жидкости

2.
Ограниченная растворимость –
жидкости растворяются друг в друге достаточно
хорошо, но их взаимная растворимость
не безгранична и достигает при данных условиях
какого-то определенного предела
(диэтиловый эфир + H2O, анилин + H2O)
При смешивании анилина с водой образуется 2 слоя.
В верхнем слое содержится больше воды и меньше анилина,
а в нижнем слое – наоборот.
Таким образом, верхний слой можно рассматривать как
насыщенный раствор анилина в Н2О,
а нижний – воды в анилине.
41

42. Растворимость жидкости в жидкости

3.
Жидкости, практически нерастворимые
друг в друге (вода и бензол, вода и ртуть),
при смешивании разделяются на 2 слоя.
Вещество, способное растворятся в двух несмешивающихся
растворителях, распределяется между ними так,
что отношение его концентраций в этих растворителях
при постоянной температуре остается постоянным
независимо от общего количества растворенного вещества.
C2 – концентрация во 2-ом растворителе
C2
K C1 – концентрация в 1-ом растворителе
C1
K – коэффициент распределения
На различной растворимости одного и того же вещества
в несмешивающихся жидкостях основан метод его
извлечения из разбавленного раствора – экстракция.
42

43. Растворимость газов в жидкостях

может происходить в результате межмолекулярного
взаимодействия молекул газа и жидкости.
Примеры: растворение О2, Не, Ne, H2, СН4 в воде.
Незначительная растворимость.
может являться следствием химической реакции между
молекулами растворителя и растворенного вещества.
Примеры: NН3 + H2O → NH4ОН
СО2 + Н2О → H2CO3
Высокая растворимость.
43

44. Растворимость газов в жидкостях

Растворение газов в жидкости как правило сопровождается
выделением теплоты (∆H < 0),
убылью энтропии (∆S > 0).
С повышением температуры растворимость газа
уменьшается, с увеличением давления – увеличивается.
Растворимость газов в жидкостях
подчиняется закону Генри.
44

45. Закон Генри

При постоянной температуре давление летучего
(газообразного) компонента PB
прямо пропорционально его мольной доле χB:
PB K H B
где KH – константа Генри.
Закон Генри справедлив только при отсутствии
химического взаимодействия между газом и
растворителем и в условиях низких давлений.
45

46. ЗАКОНЫ РАУЛЯ

Давление насыщенного пара растворителя над раствором
прямо пропорционально мольной доле растворителя (χA):
PА PA0 A
Относительное понижение давления насыщенного пара
растворителя над раствором не зависит от природы
растворённого вещества и равно его мольной доле (χA)
в растворе:
РА0 РА Р
0 А
0
РА
РА
46

47.

Отклонения от закона Рауля
Растворы, которые строго подчиняются закону Рауля,
являются
идеальными.
Идеальными
при
любых
концентрациях являются растворы, компоненты которых
очень близки по физическим и химическим свойствам, и
образование которых не сопровождается изменением
объёма и выделением либо поглощением теплоты.
Для реальных растворов неэлектролитов закон Рауля
соблюдается тем точнее, чем более разбавленным
является этот раствор. По мере повышения концентрации
растворенного вещества для большинства растворов
наблюдаются отклонения от закона Рауля.
Не подчиняются закону Рауля растворы электролитов
(кислот, оснований, солей).
47

48.

Следствия из законов Рауля
Жидкость закипает, когда давление ее насыщенного пара становится
равным внешнему давлению. Если внешнее давление не изменяется,
а сама жидкость является индивидуальным и химически чистым
веществом, то кипение ее в открытом подогреваемом сосуде
происходит при постоянной температуре до тех пор,
пока полностью не исчезнет жидкая фаза.
Так при атмосферном давлении равном 101,325 кПа температура
кипения дистиллированной воды равна 100°С или 373,16K.
Если же в Н2О растворить какое-нибудь нелетучее вещество,
то давление ее насыщенного пара понизится. Чтобы получившийся
раствор закипел, необходимо нагреть его до температуры выше,
чем 373,16K, только при таких условиях давление насыщенного пара
растворителя снова станет равным атмосферному.
Растворы кипят при более высокой температуре,
чем чистый растворитель.
48

49.

Следствия из законов Рауля
Если внешнее (атмосферное) давление остается постоянным,
а жидкость не содержит посторонних примесей,
то в процессе кристаллизации температура охлаждаемой жидкости
будет оставаться постоянной до тех пор,
пока жидкая фаза полностью не превратится в твердую.
При атмосферном давлении равном 101,325 кПа дистиллированная
вода замерзает при 0°С (273,16K). Давление насыщенного пара воды
надо льдом и жидкостью в этом случае равно 613,3 Па.
Для водного раствора давление насыщенного пара растворителя при
0°С будет меньше чем 613,3 Па, а надо льдом остается неизменным.
Лишь при понижении температуры снова можно уравнять давление
насыщенного пара над жидкой и твердой фазой и вызвать процесс
кристаллизации.
Растворы кристаллизуются при более низкой
температуре, чем чистый растворитель. 49

50.

Понижение температуры кристаллизации (ΔТкр.) и
повышение температуры кипения (ΔТкип.)
разбавленных растворов не зависит от природы
растворённого вещества и прямо пропорционально
моляльной концентрации (Сm) растворенного вещества:
Т
0
кр .
mв ва 1000
Т кр . Т кр . К Cm K
М в ваm р ля
Т кип. Т
0
кип.
mв ва 1000
Т кип. Е Сm E
М в ваm р ля
К – криоскопическая константа;
Е – эбуллиоскопическая константа;
Сm – моляльная концентрация растворенного вещества,
моль/кг
50

51.

Криоскопические и
эбуллиоскопические константы
Физический смысл – это понижение температуры
кристаллизации и повышение температуры
кипения раствора с концентрацией 1 моль/кг.
Растворитель
Е
K
1. Вода
0,516
1,86
2. Этиловый спирт
1,23
-
3. Бензол
2,57
5,12
4. Уксусная кислота
3,1
3,9
5. Анилин
3,69
5,87
51

52.

Если чистый растворитель кипит и замерзает при
постоянной температуре, то растворы делают это
в интервале температур, т.е. в процессе их
выкипания температура все время повышается,
а при замерзании – уменьшается.
Это связано с тем, что удаление из жидкой фазы
растворителя в виде пара или твердых кристаллов
приводит к увеличению моляльной концентрации раствора,
т.к. растворенное вещество в процессе кипения и
замерзания в неизменном количестве остается в жидкой
фазе (вплоть до ее полного выкипания или замерзания),
а масса жидкого растворителя уменьшается.
52

53. Диффузия в растворах

В растворах частицы растворителя и растворенного
вещества равномерно распределяются по всему объему
системы вследствие своего беспорядочного теплового
движения. Этот процесс называется диффузией и
протекает самопроизвольно при растворении вещества
или при смешивании растворов различных концентраций.
Результат диффузии –
выравнивание концентрации
растворенного вещества
по всему объему раствора.
53

54. Осмос

Если создать систему из двух растворов,
разделенных полупроницаемой мембраной
(через которую способны проходить только
молекулы растворителя),
то в системе будет происходить преимущественно
односторонняя самопроизвольная диффузия
молекул растворителя через мембрану
из растворителя в раствор
(или из менее концентрированного раствора
в более концентрированный раствор).
54

55.

55

56.

Процесс односторонней диффузии растворителя через
полупроницаемую мембрану называется осмосом.
Давление, которое оказывает растворитель на мембрану,
называется осмотическим давлением (Pосм).
Обратный осмос – процесс, в котором, при определённом
давлении, растворитель проходит через полупроницаемую
мембрану из более концентрированного в менее
концентрированный раствор.
56

57. Закон Вант-Гоффa

Величина осмотического давления не зависит от природы
полупроницаемой мембраны и растворенного вещества,
но пропорционально возрастает при увеличении молярной
концентрации и абсолютной температуры раствора: