Теория растворов. Механизм растворения газов, жидкостей и твердых тел. Способы

выражения концентраций растворов.
Коллигативные свойства растворов
Лекция 7

процесс равномерного
распределения частиц растворяемого вещества по всему объему растворителя,

при этом считается, что отсутствует взаимодействие между частицами
растворенного вещества и растворителя.
Подтверждением этой теории является тот факт, что целый ряд свойств:
повышение температуры кипения, понижение температуры замерзания,
осмотическое давление, давление пара – зависят только от концентрации
растворенного вещества, но не зависит от его природы.
2. Химическая теория:
Суть: процесс растворение осуществляется за счет взаимодействия молекул или
ионов растворяемого вещества с молекулами растворителя за счет водородной
связи или электростатического взаимодействия полярных молекул веществ.

как сложный физико-хими-
ческий процесс, в котором ярко проявляется взаимодействие между

частицами (молекулами или ионами) различной химической природы.

в состоянии химического равновесия.

Растворы сходны как с механическими смесями частиц,

так и с индивидуальными
химическими соединениями. От первых они отличаются тем, что любой объем
раствора обладает таким же химическим составом, что и его масса.
От химических соединений растворы отличаются тем, что их состав может изменяться в зависимости от количеств взятых компонентов. Другое отличие – это
природа связи.

газов в газах (газовые смеси);
Жидкие растворы:
- растворов газов в жидкости;
-

растворы жидкостей в жидкости
- растворы твердых тел в жидкостях;
Твердые растворы.

По степени дисперсности растворенного вещества:
Грубодисперсные системы;
Коллоидные растворы;
Истинные растворы.

в котором еще можно растворить добавочное
количество данного вещества;
Насыщенный –

это раствор, в котором данное вещество при данной
температуре больше не растворяется, т.е. раствор находится в
равновесии с растворяемым веществом;
Пересыщенный – это раствор, содержащий значительно большее количество
растворенного вещества, чем его требуется для насыщения при
данной температуре.
Пересыщенные растворы – неустойчивые системы, существующие только при
отсутствии в системе твердых частиц растворенного вещества.

растворенного вещества.
Отметим, что не всегда разбавленный раствор является ненасыщенным;
5.

Концентрированный - раствор с высоким содержанием растворённого
вещества в противоположность разбавленному раствору, содержащему
малое количество растворённого вещества. Деление растворов на
концентрированные и разбавленные не связано с делением на насыщенные
и ненасыщенные.
Так насыщенный 0,0000134М раствор хлорида серебра является очень
разбавленным, а 4М раствор бромида калия, будучи очень концентрированным,
не является насыщенным. Т.е. Граница между разбавленным и концентрирован-
ным растворами весьма условна.

от природы жидкости могут смешиваться друг с другом
в

различных соотношениях:
Смешиваются друг с другом в любых соотношениях с образованием
однородного раствора (вода и глицерин, вода и этиловый спирт и т.п.);
2. Обладают ограниченной растворимостью друг в друге (вода и анилин, вода
и эфир и т.п.) ;
3. Практически нерастворимы друг в друге (вода и бензол, вода и ртуть и т.п.)

атома
углерода 12 (С12) составляет 2∙10-23 г, поэтому была введена

атомная
единица массы (а.е.м.), равная 1/12 массы атома углерода, что равно
1,667∙10-24 г.



Значение Мr будет равно сумме относительных атомных масс:

;

структурных
единиц (атомов, молекул, ионов, электронов и др.), сколько содержится

в
0,012 кг изотопа углерода .

.

Установлено, что 12 г углерода содержит 6,02·1023 атомов,
28 г азота – 6,02·1023 молекул.
Число частиц, равное 6,02·1023 называется числом Авогадро

и имеет размерность моль-1.

Например: количество вещества навески воды, содержащей 1,505·1024 молекул
составляет:

моль.

молярной массой размерностью г/моль.
Она равна

отношению массы данной навески вещества m к
его количеству:

, г/моль.

Так молярная масса вещества численно равна его относительной
молекулярной массе .

Для определения молярной массы вещества определяют
его относительную молекулярную массу и приписывают
ей размерность г/мольь.

в единице
массы или объема раствора или растворителя.

(г),
содержащегося в растворе, к общей массе раствора (г) или

это масса
растворенного вещества в 100 г раствора, что позволяет производить
вычисления при недостатке условий. Массовая доля может быть
выражена в массовых долях единицы или в процентах:

, масс. доли;

, % масс.

– масса растворенного вещества, г;

– масса раствора, г;

– масса растворителя, г.
Масса раствора складывается из массы растворенного вещества и
растворителя:

где

– объем раствора, мл;
ρ – плотность раствора, г/мл.

вещества (nв) или растворителя (ns) к сумме количеств всех веществ

в растворе.
В растворе, состоящем из растворителя и единственного растворенного
вещества мольную долю рассчитывают по формуле:


Мольная доля растворителя в растворе:


Причем, сумма мольных долей растворенного вещества и растворителя в растворе равна единице:

где количества растворенного вещества и растворителя соответственно,
моль

растворенного вещества в единице объема раствора в литрах или количество

молей растворенного вещества в 1 л раствора.

моль/л; М

где Vp – объем раствора, л

это отношение количества эквивалентов растворенного вещества
к единице объема раствора.

моль-экв/л; н.


фактор эквивалентности, величина, характеризующая процесс.



z – это основность кислоты; кислотность основания и др.

моль-экв./л; н.

вещества в единице массы растворителя.

моль/кг

масса растворителя, кг

вещества в 100 г растворителя при данной температуре, что соответствует

насыщенному раствору.

от природы
растворенного вещества, а зависящие от числа частиц в

растворе, т.е. от его
концентрации.

Осмос – это процесс диффузии молекул растворителя через полупроницаемую
мембрану в направлении градиента концентраций.
Осмотическое давление – это давление, которое надо приложить в направлении
противоположном осмосу, чтобы его остановить.

вещества и температуры выражается законом Вант-Гоффа
и уравнением, аналогичным уравнению Менделеева-Клапейрона.
Закон

Вант-Гоффа: Осмотическое давление (Росм) прямо пропорционально молярной концентрации раствора (СВ) и абсолютной температуре (Т). Математически эта зависимость выражается уравнением Вант-Гоффа:
Росм=СВRT,
где R – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·К);
Т – абсолютная температура;
V – объем, м3
Поскольку СВ=n/Vр, то формально уравнение Вант-Гоффа аналогично уравнению состояния идеального газа.

изменение осмотического давления раствора, окружающего клетку приводит к изменению клетки:

и дальнейшее усыхание, сморщивание (кренация животных клеток и плазмолиз растительных) клетки; и разрыв клетки (цитолиз животных клеток, гемолиз-разрушение эритроцитов; растительные клетки сопротивляются этому из-за толстой клеточной оболочки.

р-ра – tкип р-ля; Δtзам=tзам

р-ра – tзам р-ля.

Раулем было установлено, что обе величины - Δtкип и Δtзам – прямо пропорциональны моляльности растворов:
Δtкип=Е·Сm
Δtзам=К·Сm,
где Е и К – соответственно эбулиоскопическая и криоскопическая константы, зависящие от природы растворителя (прил. 2 задачника),
Сm – моляльность раствора, моль/кг

происходит диссоциация этих веществ с образованием заряженных частиц – катионов

и анионов;
Электрическая проводимость водных растворов солей, кислот и оснований пропорциональна общей концентрации ионов в растворе.

Электролитическая ионизация вызывается взаимодействием полярных молекул растворителя с частицами растворенного вещества, что приводит к образованию гидратированных ионов растворенного газообразного и кристаллического вещества с ионной связью. Переход ионов в раствор сопровождается гидратацией ионов. Процесс гидратации самопроизволен и экзотермичен. Гидратация протонов идет с образованием иона гидроксония :

СУРГУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

числу растворенных частиц, которая выражается в процентах и долях:


Если

, то вещество является сильным электролитом;
Если , то вещество является слабым электролитом.
Степень ионизации зависит от:
температуры: поскольку процесс ионизации – это эндотермический процесс, то с увеличением температуры степень ионизации увеличивается;
природы растворителя: чем полярнее растворитель, тем выше степень ионизации растворенного вещества;
концентрация раствора: при разбавлении степень ионизации возрастает.

СУРГУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

природы электролита и температуры.
Чем выше константа ионизации, тем сильнее

электролит.
Между константой ионизации и степенью электролитической ионизации существует количественная связь: пусть

СУРГУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

100 раз, то степень ионизации возрастет в 10 раз.
СУРГУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

концепции: для каждого растворителя свой параметр Бьёррума (q), который представляет

собой расстояние, на которое подходят ионы друг к другу в процессе образования ионных пар.
Этот параметр определяется из соотношения:



заряды катиона и аниона;
заряд электрона;
диэлектрическая проницаемость растворителя;
постоянная Больцмана;
абсолютная температура.

СУРГУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

25 ºС (298 К)



Если расстояние между

ионами меньше этой величины (q ‹ 0,357 нм), то растворенную частицу можно считать недиссоциированной; если q › 0,357 нм, то ионы рассматриваются как изолированные.
Поэтому коллигативные свойства растворов, определенные экспериментально, меньше рассчитанных в педположении полной ионизации. Для описания реальных растворов Льюис (1907г.) ввел формальное представление об эффективной концентрации – активности, которая связана с истиной концентрацией формулой:

СУРГУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

растворов неэлектролитов .

Изотонический коэффициент можно связать со степенью ионизации:

Z – число ионов, на которые распадается данный электролит.

СУРГУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

над раствором:

электролитов
Δtкип=tкип р-ра – tкип р-ля;

Δtзам=tзам р-ра – tзам р-ля.

Раулем было установлено, что обе величины - Δtкип и Δtзам – прямо пропорциональны моляльности растворов:
Δtкип=i·Е·Сm,
Δtзам=i·К·Сm,
где Е и К – соответственно эбулиоскопическая и криоскопическая константы, зависящие от природы растворителя (прил. 2 задачника),
Сm – моляльность раствора, моль/кг