Далее рассматриваем процессы в истинных растворах. Растворы.

Тема 3.1 Растворы.

Цель. Познакомиться с физико-химическими процессами растворения веществ. Изучить особенности истинных и коллоидных растворов. Научиться способам выражения состава раствора по концентрации вещества. Приобрести умение решать расчетные задачи для приготовления растворов заданной концентрации.

План.

1. Понятие «растворы», состав растворов.

*истинные растворы

* гомогенные растворы

* гетерогенные растворы

* коллоидные растворы

2. Физико-химические процессы растворения

3. Способы выражения состава раствора

4. Решение задач на вычисление концентрации растворов.

Понятие «растворы», состав растворов.

*истинные растворы

Проводим в домашних условиях простые "опыты":

В стакан с водой поместим немного кристаллов поваренной соли (NaCl)
В другой с водой стакан поместим немного кристаллов сахара (C₁₂H₂₂O₁₁)
В третий с водой стакан поместим немного кристаллов «марганцовки» (KMnO₄)
В четвертый стакан с водой поместим белок куриного яйца
В пятый стакан с водой поместим порошок активированного угля (С)

Вопрос Что наблюдаем? Сколько веществ в каждом стакане?

В каждом стакане как минимум два вещества, вода и помещенное в нее вещество, можно перелить жидкости из одного стакана в другой и получится больше веществ в одном стакане.

Наблюдаем, как количество твердого вещества постепенно уменьшается. При этом вода, в которую были добавлены кристаллы, приобретает новые свойства: у нее появляется соленый или сладкий вкус (в случае марганцовки появляется малиновая окраска), изменяется плотность, температура замерзания и т.д. Полученные жидкости уже нельзя назвать водой, даже если они неотличимы от воды по внешнему виду, они однородны (как в случае с солью и сахаром). Это – истинные растворы. Полученные жидкости в 4 и 5 стаканах неоднородны, в них можно увидеть мелкие частицы помещенного вещества, это дисперсная система (суспензия, в случае с углем) и коллоидный раствор (в случае с белком).

Вывод 1. Любой раствор состоит из растворителя и растворенного вещества:

Истинныерастворы не отстаиваются и сохраняются все время однородные. Если раствор профильтровать через самый плотный фильтр, то ни соль, ни сахар, ни марганцовокислый калий не удается отделить от воды. Следовательно, эти вещества в воде раздроблены до наиболее мелких частиц – молекул или ионов. Чаще всего истинные растворы называют термином «растворы».

Растворы это гомогенные (т.е. однородные) системы переменного состава, состоящие из двух или более веществ, находящиеся в раздробленном состоянии до атомов, молекул или ионов.

Наиболее распространенное агрегатное состояние растворов – жидкое.

Под переменным составом раствора понимают изменение соотношения смешанных друг с другом веществ. Например, раствор соли можно разбавлять чистой водой или, наоборот, упаривать, но полученные при этом жидкости будут называться растворами соли.

Вопрос. Какое вещество раствора считать растворителем, а какое растворенным веществом, если любой раствор состоит из растворителя и растворенного вещества?

Из двух или нескольких компонентов раствора растворителем является тот, который взят в большем количестве и имеет то же агрегатное состояние, что и раствор в целом. В водных растворах, воду считают растворителем и в тех случаях, когда ее меньше. Например, говорят о 96%-ном растворе этилового спирта в воде, а не о 4 %-ном растворе воды в спирте.

*Не всегда обязательно вода является растворителем – существуют и неводные растворы. Существуют растворы не только жидкие, но и твердые. Например, сплавы. Смеси газов (например, воздух) не называют растворами, потому что в газах взаимодействие между молекулами практически отсутствует. Важным свойством растворов является взаимодействие между частицами растворителя и растворенных веществ.

* гетерогенные растворы

* коллоидные растворы

Чистые вещества в природе встречаются очень редко. Кристаллы чистых веществ – сахара или поваренной соли, например, можно получить разного размера – крупные и мелкие. Каков бы ни был размер кристаллов, все они имеют одинаковую для данного вещества внутреннюю структуру – молекулярную или ионную кристаллическую решетку.

В природе чаще всего встречаются смеси различных веществ.

Смеси разных веществ в различных агрегатных состояниях могут образовывать гетерогенные и гомогенные системы. Такие системы будем называть дисперсными.

Дисперсные системы.

Дисперсной называется система, состоящая из двух или более веществ, причем одно из них в виде очень маленьких частиц равномерно распределено в объеме другого.

То вещество, которое присутствует в меньшем количестве и распределено в объеме другого вещества, называют дисперсной фазой.

Она может состоять из нескольких веществ.

Вещество, присутствующее в большем количестве, в объеме которого распределена дисперсная фаза, называют дисперсионной средой.

Например, если измельченный порошок мела или активированный уголь поместить в воду и размешать, то получим смесь твердого вещества и жидкости, т. е. не истинный раствор, а дисперсную систему, где мелкие частицы мела или угля будут дисперсионной фазой, а вода дисперсионной средой.

Между дисперсионной средой и частицами дисперсной фазы существует поверхность раздела, поэтому дисперсные системы называются гетерогенными (неоднородными). И дисперсную среду, и дисперсную фазу могут представлять вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном.

В зависимости от сочетания агрегатного состояния дисперсной среды и дисперсной фазы можно выделить несколько видов таких систем. Например, твердые частицы в газе – дым; жидкие частицы в газе – туман; газ в твердом веществе – снег, пенопласт, поролон; жидкие частицы в жидкости – эмульсии (масло в воде, плазма крови, цитоплазма растительных клеток);

По величине частиц веществ, составляющих дисперсную фазу, дисперсные системы делятся на:

грубодисперсные (взвеси) с размерами частиц более 100 нм;
тонкодисперсные (коллоидные растворы или коллоидные системы) с размерами частиц от 100 до 1 нм;

Коллоидные растворы – гетерогенные системы, состоящие из двух фаз, между которыми имеется поверхность раздела, самопроизвольно не возникают, требуют затраты энергии.

гомогенные системы, или истинные растворы с размером частиц менее 1 нм. Такая система однородна, поверхности раздела между частицами и средой нет.

Дисперсные системы и растворы очень важны в повседневной жизни и в природе. Без воды, воздуха, горных пород и минералов вообще бы не существовала живая планета – наш общий дом – Земля; без клеток не было бы живых организмов и т.д.

Вывод.

Коллоидные растворы занимают промежуточное положение между истинным раствором и взвесями. Частицы малы, но их много и они имеют большую молекулярную массу. Размер частиц от 1 до 100нм. Коллоидные растворы это разновидность гомогенной системы, частицы которой находятся во взвешенном состоянии (раствор – золь).

Дисперсные системы.

Дисперсная система – это гетерогенная система, в которой одно вещество равномерно распределено в виде частиц внутри другого вещества.

Далее рассматриваем процессы в истинных растворах. Растворы.

Процесс растворение веществ.

Растворение кристалла в жидкости происходит следующим образом. Когда вносят кристалл в жидкость, в которой он может растворяться, от поверхности его отрываются отдельные молекулы, за счет колебательного движения молекул кристалла и притяжения молекул вещества молекулами растворителя, образуя межмолекулярные (водородные, в случае воды) связи. Отрываясь от поверхности кристалла, молекулы вещества равномерно распределяются по всему объему растворителя и движутся вместе с молекулами растворителя (воды). Этот процесс называется диффузией. *Диффузия это самопроизвольный процесс перемещения вещества, приводящий к выравниванию его концентрации. Например, благодаря диффузии молекулы сахара распределяются равномерно, и раствор становится одинаково сладким по всему объему. При растворении перманганата калия диффузию частиц в растворе можно наблюдать визуально благодаря интенсивной малиновой окраске этого вещества.

Этот процесс должен был бы продолжаться до полного растворения любого количества кристаллов. Но этого не происходит. Почему? Потому что одновременно происходит обратный процесс – кристаллизация. Перешедшие в раствор молекулы, ударяясь о поверхность еще не растворившегося вещества, снова притягиваются к нему и входят в состав кристаллов. Выделение молекул из раствора будет идти тем быстрее, чем выше их концентрация в растворе. Следовательно, в растворе происходит два процесса: растворение и кристаллизация вещества. При определенных условиях, наступает момент, когда скорость растворения становится равной скорости кристаллизации. Тогда наступает динамическое равновесие (равновесие в движении), при котором в единицу времени столько же молекул растворяется, сколько и выделяется из раствора. Значит, количество растворяемого вещества может быть ограничено. Например, при комнатной температуре нельзя растворить в 100 мл воды более 200 г сахара или более 35,9 г поваренной соли. В таких случаях говорят, что раствор стал насыщенным.

Раствор, в котором данное вещество при данной температуре уже больше не растворяется, или раствор, находящийся в равновесии с растворяющимся веществом называется насыщенным раствором. В насыщенном растворе при данной температуре содержится максимально возможное количество растворенного вещества.

Следовательно, никакое самое сильное перемешивание не помогает растворить в насыщенном растворе дополнительные порции вещества. Однако, если повысить температуру, то раствор вновь может стать ненасыщенным и растворить еще определенную порцию кристаллов.

Что такое растворимость? Говорят о водных растворах - "сахар растворяется в воде хорошо" или "мел плохо растворяется в воде". Но можно и количественно оценить способность того или иного вещества к растворению или, другими словами, растворимость вещества.

Растворимость это способность вещества растворяться в том или ином растворителе. Мерой растворимости вещества при данных условиях является его содержание в насыщенном растворе. Если в 100 г воды растворяется более 10 г вещества, то такое вещество называют хорошо растворимым. Если растворяется менее 1 г вещества –вещество -малорастворимое. Вещество считают практически нерастворимым, если в раствор переходит менее 0,01 г вещества. Абсолютно нерастворимых веществ не бывает. Если вода в стеклянном сосуде, очень небольшая часть молекул стекла неизбежно переходит в раствор.

Растворимость разных веществ определяется многими сложными причинами, некоторые из которых до сих пор не ясны. Поэтому трудно предсказать растворимость какого-либо вещества по его химической формуле или агрегатному состоянию.

Ниже в таблице приведены значения растворимости (в граммах вещества на 100 г воды при комнатной температуре) нескольких веществ: твердых, жидких и газообразных, среди которых многие имеют похожие химические формулы.

Задание. Используя таблицу, распределите данные в ней вещества на: хорошо растворимые, малорастворимые и нерастворимые.

Название вещества	Формула	Агрегатное состояние	Растворимость (г/100 г воды)
Серная кислота	H₂SO₄	жидкость	любое количество
Хлористый водород	HCl	газ	71,9
Хлорид натрия	NaCl	крист.	35,9
Сульфат меди	CuSO₄^.5H₂O	крист.	20,7
Сульфат кальция	CaSO₄	крист.	0,2
Тетрахлорид углерода	CCl₄	жидкость	0,08
Сульфат бария	BaSO₄	крист.	0,00023
Хлорид серебра	AgCl	крист.	0,00015

С увеличением температуры растворимость большинства твердых веществ увеличивается, а растворимость газов, наоборот, уменьшается. Это связано с тем, что молекулы газов при тепловом движении способны покидать раствор гораздо легче, чем молекулы твердых веществ.

При охлаждении насыщенного раствора образуется пересыщенный раствор, из которого кристаллы начинают выпадать либо самопроизвольно, либо после добавления небольшой "затравки" - кристаллика чистого вещества, который служит центром дальнейшей кристаллизации, с помощью этого метода очищают вещества. При охлаждении в осадок выпадает только чистое вещество, а примеси (вместе с небольшой частью основного вещества) остаются в растворе. Чистые кристаллы отфильтровывают от охлажденного, загрязненного примесями раствора. Этот способ очистки называется перекристаллизация. Так очищают, например, многие лекарственные препараты.

Давление не оказывает заметного влияния на растворимость твердых веществ, потому что при растворении не происходит заметного изменения объема системы. Зато увеличение давления повышает растворимость газов. В этом можно убедиться, открыв бутылку с минеральной водой, в которой углекислый газ растворяют под давлением. Как только бутылку открывают, давление в ней падает и тут же уменьшается растворимость газа, который начинает выделяться из раствора в виде пузырьков.

Нет необходимости запоминать, какие вещества растворимы, малорастворимы или нерастворимы, такие данные можно взять в "таблице растворимости"

Вещество: Р- растворимо, Н - нерастворимо, М - малорастворимо, - в водной среде разлагается, ? - нет данных о существовании соединения.

Ион	OH^	NO₃^	Cl^	S^2	SO₃^2	SO₄^2	CO₃^2	SiO₃^2	PO₄^3
H⁺		Р	Р	Р	Р	Р	Р	Н	Р
NH₄⁺	Р	Р	Р	Р	Р	Р	Р	?	
K⁺	Р	Р	Р	Р	Р	Р	Р	Р	Р
Na⁺	Р	Р	Р	Р	Р	Р	Р	Р	Р
Ag⁺	?	Р	Н	Н	Н	М	Н	?	Н
Ba²⁺	Р	Р	Р	Р	Н	Н	Н	Н	Н
Ca²⁺	М	Р	Р	М	Н	М	Н	Н	Н
Mg²⁺	Н	Р	Р	Н	Н	Р	Н	Н	Н
Zn²⁺	Н	Р	Р	Н	Н	Р	Н	Н	Н
Cu²⁺	Н	Р	Р	Н	?	Р	Н	?	Н

2. Физико-химические процессы растворения.

Текст (физические процессы)

Когда молекулы растворенного вещества связываются с молекулами воды, то получаются, строго говоря, новые химические соединения. Эти молекулярные агрегаты не имеют постоянного состава и поэтому не являются теми химическими соединениями, которые выражать формулами. Их общее название – гидраты. Процесс связывания веществ с водой называется гидратацией.

Образование водородных и других связей энергетически выгодно (для растворимых веществ), гидратация сопровождается выделением энергии. Часть этой энергии расходуется на разрушение кристаллической решетки, а её избыток может выделяться в виде тепла. Например, растворение твердого гидроксида натрия NaOH сопровождается сильным разогревом раствора. Если на разрушение кристаллической решетки тратится больше энергии, чем образуется при получении гидратов, то раствор может охлаждаться. Например, если в стакан с водой поместить твердый нитрат аммония NH₄NO₃ и поставить стакан на влажный картон, то картон примерзает к стакану – настолько низко падает температура раствора.

Молекулы воды из гидратной оболочки иногда могут вступать в химическую реакцию с растворенным веществом, образуя уже настоящее химическое соединение с постоянным составом, которые можно выделить из раствора, осторожно упаривая воду. Эти соединения называются кристаллогидратами. Кристаллогидрат CuSO₄^.5H₂O (медный купорос, молекула сульфата меди CuSO₄, связанная в растворе с пятью молекулами воды).

Данные факты говорят о том, что растворение не является чисто физическим явлением.

Но можно вернуть растворенное вещество в неизменном виде путем выпаривания растворителя. Казалось бы – нет изменения вещества – нет и химических превращений. На самом деле при выпаривании растворов происходит разрушение гидратов (реакция разложения) и вновь образуется кристаллическое вещество.

Таким образом, и растворение вещества и выпаривание раствора имеют признаки химических реакций. Главное, что в самом растворе вещество находится в качественно новом состоянии – в виде гидратов. Поэтому растворение следует считать не физическим, а физико-химическим процессом.

С этой точки зрения более полным определением раствора является следующее:**Растворами называют физико-химические однородные системы переменного состава, состоящие из двух или нескольких веществ и продуктов их взаимодействия.

Вывод. В растворах происходят физико- химические процессы.

Растворы имеют переменный состав, т.е. имеют возможность непрерывно изменять (в определенных пределах) соотношение растворенного вещества и растворителя.

В то же время какой-либо конкретный раствор, находящийся в закрытом сосуде, и если в нем со временем не происходит необратимых реакций, имеет, конечно, постоянный состав.

Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 77; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!