Основные понятия. Процесс растворения. Коллигативные свойства

Лекция № 3

РАСТВОРЫ

 

1. Основные понятия химии растворов.

1.1. Способы выражения концентрации растворов.

1.2. Растворимость.

2. Процесс растворения.

3. Коллигативные свойства растворов.

1. Основные понятия химии растворов. Понятие «растворы» включает истинные растворы и коллоидные. Истинные растворы – это гомогеннее системы с размером частиц на уровне 10^-10 – 10^{-9 м. Коллоидные растворы – это гетерогенные системы с размером частиц на уровне 10-9} – 10^{-6 м.}

Истинным раствором называется термодинамически устойчивая гомогенная система переменного состава, состоящая из двух и более компонентов, между которыми существуют довольно сильные взаимодействия.

Компонент, агрегатное состояние которого не изменяется при образовании раствора, принято называть растворителем, а другой компонент – растворенным веществом. При одинаковом агрегатном состоянии компонентов растворителем считается то вещество, которое преобладает в растворе.

1.1. Способы выражения концентрации растворов. Концентрация раствора – это величина, измеряемая количеством растворенного вещества в определенном объеме или массе раствора (иногда растворителя). Существует несколько способов выражения концентрации растворов, приведем несколько из них.

1) Массовая доля (w): .

2) Молярная концентрация = молярность (c, моль/л = М): .

3) Молярная концентрация эквивалента (c_Э, моль экв/л = М): .

3) Моляльная концентрация = моляльность (c_m (В), моль/кг): .

4) Молярная доля x (доли единицы): .

1.2. Растворимость. Это способность веществ растворяться и количественная характеристика этой способности. По определению растворимость – это концентрация насыщенного раствора. Насыщенный раствор – это раствор, находящийся в равновесии с твердой фазой (растворяющимся веществом). Растворимость измеряется в г/л или в моль/л (при этом называется молярной растворимостью).

Растворы с концентрацией гораздо меньше концентрации насыщенного раствора называются разбавленными. Растворы высокой концентрации называются концентрированными.

2. Процесс растворения. С позиции термодинамики, вещество может растворяться в жидкости самопроизвольно при p, T = const, если в результате этого процесса энергия Гиббса системы уменьшается.

При растворении жидких и твердых веществ обычно происходит их переход из более упорядоченного в менее упорядоченное состояние, то есть энтропия системы возрастает. Следовательно, энтропийный фактор, особенно при повышенный температурах, будет способствовать растворению. Поэтому растворимость твердых и жидких веществ при нагревании, как правило, увеличивается.

При растворении газов в жидкости происходит переход в более упорядоченное состояние, то есть энтропия системы уменьшается. Поэтому понижение температуры благоприятствует растворению газов.

3. Коллигативные свойства растворов. Коллигативными (общими) называются свойства растворов, не зависящие от природы частиц растворенного вещества, а зависящие только от концентрации частиц в растворе.

Такие свойства могут проявляться в полной мере в идеальных растворах. Идеальным называют раствор, в котором не происходят химические реакции между компонентами, а силы межмолекулярного взаимодействия между компонентами одинаковы. К идеальным растворам по своим свойствам приближаются лишь очень разбавленные растворы.

К общим свойствам растворов относятся понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором и температуры замерзания, повышение температуры кипения и осмотическое давление. Эти свойства проявляются в случае растворов нелетучих растворенных веществ, то есть веществ, давлением паров которых можно пренебречь.

1) Понижение давления насыщенного пара над раствором. Молекулы нелетучего растворенного компонента раствора препятствуют улетучиванию из раствора молекул растворителя. По закону Рауля понижение давления насыщенного пара растворителя А над раствором ∆р_А пропорционально молярной доле растворенного нелетучего вещества В х_В:

, (1)

где p⁰_A, p_A – давления насыщенного пара растворителя соответственно над чистым растворителем и над раствором.

Из закона Рауля возникают два следствия. Согласно одному из них температура кипения раствора выше температуры кипения растворителя. Это обусловлено тем, что давление насыщенного пара растворителя над раствором становится равным атмосферному давлению (условие кипения жидкости) при более высокой температуре.

2) Повышение температуры кипения раствора.

, (2)

где К_Э – эбуллиоскопическая постоянная растворителя.

3) Понижение температуры замерзания раствора.

Рис.1. Зависимость давления насыщенного пара растворителя от температуры над чистым растворителем и над растворами.

 

, (3)

где К_к – криоскопическая константа растворителя.

Значения К_э и К_к зависят от природы растворителя.

Используя уравнения (2) и (3) можно определить молярную массу вещества. Для этого экспериментально определяют повышение температуры кипения или замерзания раствора. Если известна масса растворенного вещества В m_B и растворителя А m_A, то молярную массу растворенного вещества определяют по уравнению:

, (4)

где К – или К_э или К_к.

4) Осмотическое давление. Самопроизвольный направленный процесс переноса частиц растворенного вещества или растворителя, возникающий из-за градиента их концентрации и направленный на ее выравнивание во всем объеме раствора называется диффузией.

Осмос – это самопроизвольная диффузия молекул растворителя сквозь мембрану с избирательной проницаемостью (пропускающей только молекулы растворителя).

Количественно осмос характеризуется осмотическим давлением, равным силе, приходящейся на единицу площади поверхности, и заставляющей молекулы растворителя проникать через полупроницаемую перегородку. Оно равно давлению раствора в осмометре высотой h (рис. 2). При равновесии внешнее давление уравновешивает осмотическое давление.

Осмотическое давление возрастает с увеличением концентрации растворенного вещества и температуры. Вант-Гофф предположил, что для осмотического давления можно применить уравнение состояния идеального газа:

, (5)

где π – осмотическое давление, с – молярная концентрация раствора.

Рис. 2. Схема осмометра: 1 – вода; 2 – раствор; 3 – полупроницаемая мембрана.

Если внешнее давление, приложенное к более концентрированному раствору, будет выше осмотического, молекулы растворителя из этого раствора будут переходить в менее концентрированный раствор или в чистый растворитель. Это явление называется обратным осмосом и широко используется для очистки воды.

Осмос играет важную роль в биологических процессах, обеспечивая поступление воды в клетки. Растворы с одинаковым осмотическим давлением называются изотоническими. Если осмотическое давление выше внутриклеточного, то оно называется гипертоническим, если ниже внутриклеточного – гипотоническим.