Основные характеристики растворов

Растворы - это однородные (гомогенные) системы, состоящие из двух и более компонентов (составных частей) и продуктов их взаимодействия.

По агрегатному состоянию растворы бывают жидкие (растворы солей в воде), твердые (сплав никеля и меди) и газообразные (воздух).

Раствор состоит из растворенных веществ и растворителя, т.е. среды, в которой эти вещества равномерно распределены в виде молекул или ионов (истинный раствор). Обычно растворителем считают тот компонент, который в чистом виде существует в таком же агрегатном состоянии, что и полученный раствор. Если же оба компонента до растворения находятся в одинаковом агрегатном состоянии (например, спирт и вода), то растворителем считается компонент, находящийся в большем количестве.

Для получения раствора необходимо, чтобы вещество растворялось в растворителе. Растворимостью называется способность вещества растворяться в том или ином растворителе. По растворимости в воде все вещества делятся на три группы:

1. хорошо растворимые (например, соли);

2. мало растворимые (гипс);

3. практически нерастворимые (стекло, серебро).

Растворимость прежде всего зависит от природы веществ, а также от температуры и давления. Чаще всего растворимость твердых и жидких веществ в воде с увеличением температуры увеличивается, растворение большинства твердых тел сопровождается поглощением теплоты. Увеличение давления, как правило, не сказывается на их растворимости.

Растворимость газов в воде уменьшается с увеличением температуры и увеличивается с возрастанием давления.

Процесс растворения твердых веществ обусловлен взаимодействием частиц растворимого вещества и растворителя и его можно представить так: от поверхности твердого вещества постепенно отрываются отдельные ионы или молекулы. Отделение их от поверхности твердого тела вызывается, с одной стороны, их собственным колебательным движением, а с другой, - притяжением со стороны молекул растворителя. Ионы или молекулы равномерно распределяются благодаря диффузии по всему объему растворителя. Перешедшие в раствор молекулы, ударяясь о поверхность еще не растворившегося вещества, снова притягиваются к нему и входят в состав его кристаллов. Наконец, наступает такой момент, когда скорость растворения становится равной скорости кристаллизации. Динамическое равновесие в растворе устанавливается тогда, когда в единицу времени столько же молекул растворяется, сколько и выделяется из раствора. Такой раствор называется насыщенным.

В насыщенном растворе данное вещество при данной температуре больше не растворяется. Раствор, в котором еще можно растворить добавочное количество данного вещества при данной температуре называется ненасыщенным.

Растворимость большинства веществ уменьшается с понижением температуры, поэтому при охлаждении горячих насыщенных растворов избыток растворенного вещества обычно выделяется. Однако, если производить охлаждение растворов осторожно и медленно, защитив при этом раствор от возможности попадания в него частиц растворенного вещества извне, то выделения его из раствора может не произойти. В этом случае получается раствор, содержащий значительно больше растворенного вещества, чем его требуется для насыщения при данной температуре. Такие растворы называются пересыщенными.

Пересыщенные растворы являются неустойчивыми системами, способными к существованию только в условиях отсутствия в системе твердых частиц растворенного вещества. При появлении так называемых центров кристаллизации избыточное содержание растворенного вещества выкристаллизовывается и образуется насыщенный раствор и кристаллы вещества, находившегося в избытке.

Способы количественного выражения состава растворов. Насыщенные растворы в практике применяют сравнительно редко. В большинстве случаев пользуются ненасыщенными растворами, содержащими меньше растворенного вещества, чем его содержит при данной температуре насыщенный раствор. При этом растворы с низким содержанием растворенного вещества называются разбавленными, с высоким - концентрированными.

В химической практике наиболее употребительны следующие способы количественного выражения состава растворов:

1. массовая доля (w) - отношение массы растворенного вещества к общей массе раствора. Это безразмерная величина, выражаемая в долях от единицы или в процентах. Например, w = 15 % (масс.) водный раствор хлорида натрия - это такой раствор, в 100 единицах массы которого содержится 15 единиц массы NаС1 и 85 единиц массы воды. В литературе также встречаются термины «процентное содержание» или «процентная концентрация» которые эквивалентны современному термину «массовая для в процентах»;

2. молярная концентрация, или молярность (С_м или М), - отношение количества растворенного вещества к объему раствора, например 2М Н₂SO₄ означает раствор, в каждом литре которого содержится 2 моля серной кислоты, т. е. С _м = 2 моль/л;

3. эквивалентная концентрация, или нормальность (С_нили н) - отношение числа эквивалентов растворенного вещества к объему раствора. Так, 2 н Н₂SO₄ означает раствор, в каждом литре которого содержится 2 эквивалента серной кислоты, т. е. С_н = 2 г-экв/л моль/л.

Число эквивалентов вещества определяют путем деления молярной массы на эквивалентную массу, которая в свою очередь для кислот, оснований и солей определяется путем деления молярной массы на число соответственно ионов водорода, гидроксид ионов или число валентных связей. Например, для Al₂(SO₄)₃ эквивалентная масса будет = М/6.

Пользуясь растворами, концентрация которых выражена нормальностью, легко заранее рассчитать, в каких объемных отношениях они должны быть смешаны, чтобы растворенные вещества прореагировали без остатка. Объемы растворов реагирующих веществ обратно пропорциональны их нормальностям.

Механизм диссоциации. Вещества, проводящие электрический ток в растворе или расплаве, называются электролитами, не проводящие электрический ток — неэлектролитами.

Современное содержание теории электролитической диссоциации можно свести к следующим трем положениям:

1. электролиты при растворении в воде распадаются (диссоциируют) на ионы - положительные и отрицательные;

2. под действием электрического тока ионы приобретают направленное движение: положительно заряженные ионы движутся к катоду, отрицательно заряженные - к аноду. Поэтому первые называются катионами, вторые - анионами.

3. при диссоциации, которая является обратимым процессом, параллельно с распадом молекул на ионы (диссоциация) протекает процесс соединения ионов (ассоциация): КА = К⁺+А^-.

Степень электролитической диссоциации a – число, показывающее какая часть молекул электролита находится в растворе в виде ионов. Для неэлектролитов a =0, а в растворах, в которых все растворенное вещество присутствует в форме ионов (полная диссоциация), a =1.

Диффузия и осмос. Частицы растворенного вещества и растворителя в растворе находятся в беспорядочном тепловом движении и распределяются по всему объему раствора.

Если в одной емкости искусственно создать зоны растворов различной концентрации, то молекулы любого вещества, беспорядочно двигаясь, проникают как из концентрированного раствора в разбавленный, так и в обратном направлении; но при этом из более концентрированного раствора в менее концентрированный переходит больше молекул, чем из разбавленного раствора в концентрированный. Точно так же молекулы воды движутся в различных направлениях, но при этом из разбавленного раствора, более богатого водой, в концентрированный раствор переходит больше молекул воды, чем за то же время переносится в обратном направлении. Таким образом возникает направленное перемещение молекул вещества из концентрированного раствора в разбавленный, а воды - из разбавленного раствора в концентрированный; каждое вещество переносится при этом туда, где его концентрация меньше. Такой самопроизвольный процесс перемещения вещества, приводящий к выравниванию его концентрации, называется диффузией.

В рассмотренном примере частицы растворителя и растворенного вещества диффундируют в противоположных направлениях в результате двусторонней диффузии. Но если между двумя растворами различной концентрации поместить полупроницаемую, перегородку, через которую растворитель может проходить, а растворенное вещество - не может, то выравнивание концентраций будет происходить только вследствие перемещения молекул воды. Последние в большем числе диффундируют в раствор с большей концентрацией, чем обратно, поэтому объем этого раствора будет постепенно увеличиваться, а концентрация вещества в нем уменьшаться. Такая односторонняя диффузия через полупроницаемую перегородку называется осмосом.

Явления осмоса играют очень важную роль в жизни животных и растительных организмов, например, обеспечивают упругость клеток.

Давление пара растворов. При конкретной температуре давление насыщенного пара над каждой жидкостью - величина постоянная. При растворении в жидкости какого-либо вещества концентрация молекул воды в жидкости понизится и пойдет процесс, увеличивающий ее, - конденсация пара. Новое равновесие установится при более низком давлении насыщенного пара, т.е. давление насыщенного пара этой жидкости понижается. Таким образом, давление насыщенного пара растворителя над раствором всегда ниже, чем над чистым растворителем при той же температуре. Разность между этими величинами принято называть понижением давления пара над раствором (или понижением давления пара раствора).

Замерзание и кипение растворов. Индивидуальные вещества характеризуются строго определенными температурами переходов из одного агрегатного состояния в другое (температура кипения, температура плавления или кристаллизации). Так, вода при нормальном атмосферном давлении кристаллизуется при температуре 0^о С и кипит при 100^о С.

Иначе обстоит дело с растворами. Присутствие растворенного вещества повышает температуру кипения и понижает температуру замерзания растворителя, и тем сильнее, чем концентрированнее раствор.

В большинстве случаев из раствора кристаллизуется (при замерзании) или выкипает (при кипении) только растворитель, вследствие чего концентрация раствора в ходе его замерзания или кипения возрастает. Это, в свою очередь, приводит к еще большему повышению температуры кипения и снижению температуры замерзания. Таким образом, раствор кристаллизуется и кипит не при определенной температуре, а в некотором температурном интервале. Температуру начала кристаллизации и начала кипения данного раствора называют его температурой кристаллизации и температурой кипения.

Разность между температурами кипения раствора и чистого растворителя называют повышением температуры кипения раствора. Разность между температурами замерзания чистого растворителя и раствора называют понижением температуры замерзания раствора.

Вопросы для самоконтроля:

1. Как классифицируются методы исследования пищевых продуктов?

2. Назовите физико-химические методы исследования пищевых продуктов.

3. В чем сущность фотометрических методов исследования?

4. На каком принципе основаны химические методы определения показателей качества пищевых продуктов?

5. Дайте понятие качественного и количественного анализа.

6. Перечислите операции, применяемые при проведении качественного и количественного анализа

7. В чем сущность гравиметрического анализа?

8. Дайте характеристику объемному количественному анализу и назовите его разновидности.

9. Дайте характеристику растворов и понятие растворимости.

10. Как приготовить пересыщенный раствор?

11. Рассчитайте, сколько NaCl и воды необходимо взять, чтобы приготовить 300 г раствора с массовой долей 20%.

12. Назовите основные положения теории электролитической диссоциации.

13. Укажите отличия диффузии от осмоса

14. Как влияет растворенное вещество на температуру кипения и замерзания?

Учебная литература

1. Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. - Л.: Химия, 1983. - С.197-199,203-204, 210-223.

2. Жванко Ю.Н., Панкратова Г.В., Мамедова З.И. Аналитическая химия и технохимический контроль в общественном питании: Учеб. пособие для техникумов. – М.: Высшая школа, 1989. - С. 3-7, 11-13, 71-72, 77-78,92-93,103,111-112, 122-123,131-132.

3. Исследование продовольственных товаров: Учеб. пособие для студентов вузов/В.И. Базарова, Л.А. Боровикова, А.Л. Дорофеев и др. - М.: Экономика, 1986. - С. 22-23,26-27,31-33,41-54,74-77.

4. Исследование продовольственных товаров. Под ред. Ш.К. Чоговадзе: Учеб. пособие для товаровед. фак. торг. вузов. Изд. 2-е, переработ. и доп. - М.: Экономика, 1970. - С. 44-58.

5. Колесник А.А., Елизарова Л.Г. Теоретические основы товароведения продовольственных товаров: Учеб. для вузов. М.: Экономика, 1985. - С. 196-201.

6. Ловачев Л.Н. и др. Руководство к лабораторным и практическим занятиям по исследованию пищевых продуктов. Учеб. пособие для технол. фак. вузов. - М.: Экономика, 1965. - С.36.

7. Семенов И.Н., Перфилова И.Л. Химия: Учебник для вузов. - СПб: Химиздат, 2000. – С. 204-208.