Ученый обосновавший химическую теорию растворов. Сольватная (гидратная) теория растворения. Кислоты и основания
Закон электронейтральности
При диссоциации молекул, число положительных и отрицательных ионов определяется стехиометрическими индексами в формуле молекулы. Электролиты, в которых ионы обладают одинаковым зарядом катиона и аниона, например, 1-1-электролит KCl или 2-2-электролит , распадаются на два иона - называются симметричные или симметричными. Электролиты, в которых ионы обладают неодинаковым зарядом катиона и аниона, например, 1-2-электролит или 3-1–электролит , называются несимметричными . Для любого типа электролита в элементарном объеме сумма зарядов анионов и катионов всегда одинакова (закон электронейтральности) :
Где число частиц в растворе.
Степень диссоциации, изотонический коэффициент
Количественно диссоциация характеризуется степенью диссоциации
Величина может изменяться от нуля (диссоциация отсутствует) до единицы (в растворе присутствуют только ионы). У сильных электролитов , у слабых - у неэлектролитов
Изотонический коэффициент Вант-Гоффа i характеризует во сколько раз изменилось общее число частиц в растворе в результате диссоциации:
где числитель - общее число вещества в растворе: распавшихся на ионы и оставшихся непродиссоциированными а знаменатель - число молекул, введенных в раствор.
Для сильных электролитов изотонический коэффициент теоретически должен быть равен числу ионов, на которые распадается молекула при диссоциации: при (например, для и v =2, для и v =3, для v =4 и т.д.). Однако обычно экспериментальные величины i <v . Причиной этого является электростатическое взаимодействие между ионами, величина которого характеризуется осмотическим коэффициентом
g I(g<1): i =v g. Для неэлектролитов i =1.
Закон разбавления Оствальда
Степень диссоциации зависит от концентрации слабого электролита в
растворе.
Рассмотрим в качестве примера реакцию:
Если исходная концентрация уксусной кислоты была равна c, то концентрация образовавшихся в результате диссоциации ионов
,
а концентрация непродиссоциировавшей уксусной кислоты 
Тогда, с учетом уравнения (32.2):
(32.3)
а если то и,
Выражение (32.3) носит название закона разбавления Оствальда. Как видно из этого уравнения, при разведении степень диссоциации возрастает, достигая в области бесконечных разбавлений значения, близкого к единице, т. е уменьшается вероятность ассоциации ионов в молекулу из-за уменьшения степени вероятности их столкновения.
Константа гидролиза
Если растворитель диссоциирует на ионы, то их взаимодействие с ионами растворенного вещества приводит к возникновению новых ионных равновесий. Обменные реакции между растворенным веществом и растворителем называется сольволизом (для водных растворов - гидролизом).
Гидролизу подвергаются все вещества, образованные с участием слабых электролитов. Например, при гидролизе соли слабой кислоты и сильного основания устанавливается равновесие:
(щелочная реакция)
(кислая реакция)
Наиболее сильно подвержены гидролизу соли, образованные слабой кислотой и слабым основанием
Равновесие реакции гидролиза может быть количественно охарактеризовано константой гидролиза . Например, константа равновесия реакции гидролиза ацетата натрия имеет вид:
Поскольку то и 
Это произведение носит название константы гидролиза . Умножая числитель и знаменатель дроби на активность ионов водорода и произведя перестановки, получим
Как следует из приведенного выражения, константа гидролиза обратно пропорциональна константе диссоциации слабого электролита, участвующего в образовании соли (если в образовании соли участвуют два слабых электролита, то обратно пропорциональна произведению их констант диссоциации).
Степень гидролиза является величиной аналогичной степени диссоциации.
Уравнение, связывающую константу гидролиза со степенью гидролиза, по форме аналогично уравнению (32.3):
где h - число частиц введенных в раствор.
При повышении температуры степень диссоциации воды сильно увеличивается, тогда как у большинства других электролитов она изменяется незначительно. Вследствие этого степень гидролиза водных растворов при повышении температуры увеличивается.
Буферные растворы
В природе и практической деятельности многие реакции протекают при определенном значении pH, которое должно быть постоянным и не зависеть от разведения, изменения состава раствора, добавления кислоты или щелочи и т.д. Такими свойствами обладают буферные растворы,
содержащие слабую кислоту и соль, образованную этой кислотой и сильным основанием (например, ацетатный буфер ), или слабое основание и соль, образованную сильной кислотой и этим основанием (например, аммиачный буфер 
). Эти растворы обладают определенными свойствами, которые проиллюстрируем на примере ацетатного буфера.
Присутствие ацетата натрия (сильного электролита), который полностью диссоциирован, настолько увеличивает концентрацию ионов CH COO , что, в соответствии с принципом Ле-Шателье, диссоциация уксусной кислоты полностью подавляется:
В результате можно считать, что в буферном растворе активность анионов равна активности анионов соли 
, а активность кислоты равна ее концентрации . Подставляя эти величины в выражение константы диссоциации, логарифмируя и вводя обозначение получимследующие формулы:
Эти формулы показывают, что pH буферного раствора зависит от константы диссоциации кислоты и соотношения аналитических концентраций соли и кислоты. При разбавлении буферного раствора это соотношение не меняется, а незначительное повышение pH обусловлено изменением коэффициента активности соли. Добавление сильной кислоты тоже сравнительно слабо отражается на изменении pH. При добавлении сильной кислоты к буферному раствору идет реакция с образованием недиссоциированной уксусной кислоты:
А при добавлении сильного основания- реакция нейтрализации:
Ионы в первом случае, и ионы во втором, связываются в малодиссоциированные молекулы ( и ), в результате чего в pH раствора практически не изменяется.
Способность буферных растворов противостоять изменению pH количественно выражается величиной, называемой буферной емкостью. Буферная емкость - это количество кислоты или щелочи которое нужно добавить к раствору, чтобы изменить его pH на единицу.
Числа переноса
Каждый вид ионов переносит определенное количество электричества, зависящее от заряда и концентрации ионов, а также скорости их движения в электрическом поле. Отношение количества электричества перенесенного ионами вида, к общему количеству электричества перенесенному всеми ионами, находящимися в растворе, называют числом переноса ионов:
В соответствии с этим определением сумма чисел переноса всех видов ионов в растворе равна единице.
Для симметричного электролита KA , диссоциирующего на два вида ионов и , количество электричества, перенесенное катионами и анионами, составит соответственно:
На степень гидратации ионов, величины их абсолютной скорости и числа переноса влияют концентрация раствора и температура. С ростом концентрации примерно до 0,1 моль/л для большинства электролитов числа переноса ионов изменяются незначительно; в области более высоких концентраций это изменение заметнее. При повышении температуры размеры гидратных оболочек слабо гидратированных ионов уменьшаются менее резко, чем сильно гидрати-рованных (а иногда даже увеличиваются). В результате величины абсолютной подвижности катионов и анионов сближаются, и их числа переноса стремятся к 0,5.
Диэлектрическая проницаемость - величина, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия двух зарядов в изучаемой среде меньше, чем в вакууме.
Зарядом иона z называют отношение заряда иона, выраженного в кулонах, к заряду электрона Кл; заряд иона, в кулонах, соответственно, равен произведению ez.
Далее во всех случаях, где это особо не оговаривается, с целью упрощения мы будем говорить о коэффициенте активности и активности электролитов, понимая, что речь идет о среднем коэффициенте активности и средней активности. В дальнейшем пренебрегается и различием между тремя способами выражения активности (коэффициента активности), что вполне допустимо для разбавленных растворов.
Используют также определение – радиус (толщина) ионной атмосферы, дебаевский радиус.
Обозначение единицы электрической проводимости сименс, как и всех других единиц, происходящих от имен собственных, пишется с прописной буквы (См). Это обозначение нельзя путать с обозначением единицы измерения длины – сантиметр (см).
Физическая и химическая теории растворов.
Растворы являются сложными системами, в которых имеют место различные виды взаимодействия между частицами (Ван-дер-Ваальсовы, электростатические и т.д.).
Существуют две точки зрения на природу растворения и растворов. Согласно физической точке зрения, растворение является чисто физическим процессом (разрушение кристаллической решетки при растворении твердых тел). Растворы при этом рассматриваются как молекулярные смеси нескольких веществ, не взаимодействующих химически. Противоположные представления были развиты Д. И. Менделеевым, который считал растворение химическим процессом, а растворы рассматривал как непрочные соединения компонентов раствора, находящихся в состоянии частичной диссоциации и отличающихся от обычных соединений переменным составом.
В настоящее время используются представления обеих теорий и доминирующая роль физической или химической компонент, в процессе растворения, определяется свойствами растворителя и растворенного вещества (системы).
Химическая, или сольватная, теория растворов была предложена в 1887 г. Д.И. Менделеевым, который установил, что в реальном растворе присутствуют не только индивидуальные компоненты, но и продукты их взаимодействия. Исследования водных растворов серной кислоты и этилового спирта, проведенные Д.И. Менделеевым, легли в основу теории, суть которой заключается в том, что между частицами растворенного вещества и молекулами растворителя происходят взаимодействия, в результате которых образуются нестойкие соединения переменного состава, называемые сольватами или гидратами , если растворителем является вода. Главную роль в образовании сольватов играют непрочные межмолекулярные силы, в частности, водородная связь.
В этой связи следует принять следующую трактовку понятия «раствор»:
Раствором называется гомогенная система переменного состава, состоящая из двух и более компонентов и продуктов их взаимодействия.
Из данного определения следует, что растворы занимают промежуточное положение между химическими соединениями и смесями. С одной стороны, растворы однородны, что позволяет рассматривать их как химические соединения. С другой стороны, в растворах нет строгого стехиометрического соотношения между компонентами. Кроме того, растворы можно разделить на составные части (например, при упаривании раствора NaCl можно выделить соль в индивидуальном виде).
Основные способы выражения концентрации растворов
Количественный состав раствора чаще всего оценивают при помощи понятия концентрации , под которым понимают содержание растворенного вещества (в определенных единицах) в единице массы (объема) раствора (растворителя). Основными способами выражения концентрации растворов являются следующие:
1. Массовая доля вещества (x ) это отношение массы данного компонента x, содержащегося в системе, к общей массе этой системы:
Единицей количества вещества является моль, т. е. то количество вещества, которое содержит столько реальных или условных частиц, сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа С 12 . При использовании моля как единицы количества вещества следует знать, какие частицы имеются в виду: молекулы, атомы, электроны или другие. Молярная масса М(х) это отношение массы к количеству вещества (г/моль):
3. Молярная концентрация эквивалента С(x ) это отношение количества эквивалента вещества n(x) к объему раствора V р-ра:
|
|
Химический эквивалент – это реальная или условная частица вещества, которая может замещать, присоединять или высвобождать 1 ион водорода в кислотно-основных или ионообменных реакциях.
Так же, как молекула, атом или ион, эквивалент безразмерен.
Масса моля эквивалентов называется молярной массой эквивалента М(x ). Величина называется фактором эквивалентности . Она показывает, какая доля реальной частицы вещества соответствует эквиваленту. Для правильного определения эквивалента вещества надо исходить из конкретной реакции, в которой это вещество участвует, например, в реакции взаимодействия Н 3 РО 4 с NaOH может происходить замещение одного, двух или трех протонов:
1. H 3 PO 4 + NaOH NaH 2 PO 4 + H 2 O;
2. H 3 PO 4 + 2NaOH Na 2 HPO 4 + 2H 2 O;
3. H 3 PO 4 + 3NaOH Na 3 PO 4 + 3H 2 O.
В
соответствии с определением эквивалента,
в 1-й реакции замещается один протон,
следовательно, молярная масса эквивалента
вещества равна молярной массе, т. е.
z l
и 
.
В данном случае:
Во 2-й
реакции происходит замещение двух
протонов, следовательно, молярная масса
эквивалента составит половину молярной
массы Н 3 РО 4 ,
т. e.
z 2,
а
.
Здесь:
В 3-й реакции
происходит замещение трех протонов и
молярная масса эквивалента составит
третью часть молярной массы Н 3 РО 4 ,
т.е. z 3,
a
.
Соответственно:
В реакциях обмена, где непосредственно не участвуют протоны, эквиваленты могут быть определены косвенным путем, введением вспомогательных реакций, анализ результатов которых позволяет вывести правило, что z для всех реакций равен суммарному заряду обменивающихся ионов в молекуле вещества, участвующего в конкретной химической реакции.
1. AlCl 3 + 3AgNO 3 = Al(NO 3) 3 + 3AgCl.
Для AlCl 3 обменивается 1 ион Al 3+ с зарядом +3, следовательно, z = 13 = 3. Таким образом:
Можно также сказать,
что обмениваются 3 иона хлора с зарядом
1.
Тогда z = 31 = 3
и
Для AgNO 3 z = 11 = 1 (обменивается 1 ион Ag + с зарядом +1 или обменивается 1 ион NO 3 с зарядом 1).
2. Al 2 (SO 4) 3 + 3BaCl 2 = 3BaSO 4 + 2AlCl 3 .
Для Al 2 (SO 4) 3 z = 23 = 6 (обменивается 2 иона Al 3+ с зарядом +3 или 3 иона SO 4 2 с зарядом 2). Следовательно,
Итак,
запись С(H 2 SO 4)
= 0,02 моль/л означает, что имеется раствор,
в 1 л которого содержится 0,02 моль
эквивалента H 2 SO 4 ,
а молярная масса эквивалента H 2 SO 4
составляет при этом
молярной массыH 2 SO 4 ,
т. е. 1 л раствора содержит
H 2 SO 4 .
При
факторе эквивалентности 
молярная концентрация эквивалента
равна молярной концентрации раствора.
4. Титр Т(x ) – это отношение массы вещества к объему раствора (в мл):
6. Мольная доля N(x ) – это отношение количества вещества данного компонента,содержащегося всистеме, к общему количеству веществ системы:
|
|
Выражается в долях единицы или в %.
7. Коэффициентом растворимости вещества Р(x ) называют максимальную массу вещества, выраженную в г, которая может раствориться в 100 г растворителя.
Тема 7. Растворы. Дисперсные системы
Лекции 15-17 (6 ч)
Цель лекций: изучить основные положения сольватной (гидратная) теории растворения; общие свойства растворов (законы Рауля, Вант-Гоффа, осмотическое давление, уравнение Аррениуса); типы жидких растворов, дать определение растворимости; рассмотреть свойства слабых электролитов (константу растворимости, закон разбавление Оствальда, ионное произведение воды, рН среды, произведение растворимости); свойства сильных электролитов (теорию Дебая-Хюккеля, ионную силу раствора); дать классификацию дисперсных систем; рассмотреть устойчивость коллоидных растворов, коагуляцию, пептизацию, получение коллоидно-дисперсных систем и свойства коллоидно-дисперсных систем (молекулярно-кинетические, оптические и электро-кинетические).
Изучаемые вопросы:
7.1. Сольватная (гидратная) теория растворения.
7.2. Общие свойства растворов.
7.3. Типы жидких растворов. Растворимость.
7.4. Свойства слабых электролитов.
7.5. Свойства сильных электролитов.
7.6. Классификация дисперсных систем.
7.7. Получение коллоидно-дисперсных систем.
7.8. Устойчивость коллоидных растворов. Коагуляция. Пептизация.
7.9. Свойства коллоидно-дисперсных систем.
Растворами называются гомогенные системы, состоящие из двух или более веществ, состав которых может меняться в довольно широких пределах, допустимых растворимостью. Всякий раствор состоит из нескольких компонентов: растворителя (А ) и растворенного вещества одного или нескольких (В ).
Компонент – это однородная по химическим свойствам часть термодинамической системы, которая может быть выделена из нее и существовать в свободном виде сколь угодно долго.
Растворитель – это компонент, концентрация которого выше концентрации других компонентов в растворе. Он сохраняет свое фазовое состояние при образовании растворов.
Любой раствор характеризуется такими свойствами, как плотность, температура кипения, температура замерзания, вязкость, поверхностное натяжение, давление растворителя над раствором, осмотическое давление и т. д. Эти свойства изменяются плавно при изменении давления, температуры, состава (концентрации). Концентрация раствора указывает количество вещества, которое содержится в определенном весовом количестве раствора или растворителя или в определенном объеме раствора. В химии применяются разнообразные способы выражения концентрации растворов:
Массовая доля растворенного вещества (процентная концентрация (w)) показывает число г растворенного вещества (m в ) в 100 г раствора (m р ), выражается в %:
Молярная концентрация (С) показывает число моль растворенного вещества (n) в 1 дм³ раствора (V):
Выражается в моль/дм³, например, С(1/1Н 2 SO 4) = 0,1 моль/дм³.
Молярная концентрация эквивалента – это число молей-эквивалентов растворенного вещества в 1 дм³ раствора (V):
Выражается в моль/дм³. Например, С(1/2Н 2 SO 4) = 0,1 моль/дм³; С(1/5 KМnO 4) = 0,02 моль/дм³.
Понятия эквивалент, фактор эквивалентности (например, f экв (HCl) = 1/1; f экв (Н 2 SO 4) = 1/2; f экв (Na 2 CO 3) = 1/2; f экв (KMnO 4) = 1/5) и молярная масса эквивалента (например, для карбоната натрия: M(1/2 Na 2 CO 3) = f экв M(Na 2 CO 3) = 1/2 M(Na 2 CO 3)) были рассмотрены во введении (параграф 2).
Моляльность (С m) показывает число моль (n) растворенного вещества в 1000 г растворителя (m р-ля):
Выражается в моль/кг растворителя, например С m (NaCl) = 0,05 моль/кг.
Мольная доля – это отношение числа молей вещества к сумме чисел молей в растворе:
где N А и N В – мольная доля растворителя и растворенного вещества, соответственно. Мольная доля, умноженная на 100 %, образует мольный процент, поэтому
N А + N В = 1. (7.6)
В практической работе важно уметь быстро переходить от одних единиц концентрации к другим, поэтому важно помнить, что
m р-ра = V р-ра ρ, (7.7)
где m р-ра – масса раствора, г; V р-ра – объем раствора, см 3 ; ρ – плотность раствора, г/ см 3 .
Процесс растворения является сложным физико-химическим процессом, в котором наиболее ярко проявляется взаимодействие между частицами (молекулами или ионами) различной химической природы.
На процессы растворения многих веществ, находящихся в различных агрегатных состояниях, большое влияние оказывает полярность молекул растворителя и растворенного вещества. Необходимо отметить, что подобное растворяется в подобном. В полярных растворителях (вода, глицерин) растворяются полярные молекулы (KCl, NH 4 Cl и т.д.); в неполярных растворителях (толуоле, бензине, и т.д.) растворяются неполярные молекулы (углеводороды, жиры и т.д.).
Современная теория растворения основана на физической теории Вант-Гоффа и С. Аррениуса и химической теории Д. И. Менделеева. Согласно этой теории процесс растворения состоит из трех стадий:
1) механическое разрушение связей между частицами растворенного вещества, например, разрушение кристаллической решетки соли (это физическое явление);
2) образование сольватов (гидратов) , т. е. нестойких соединений частиц растворенного вещества с молекулами растворителя (это химическое явление);
3) самопроизвольный процесс диффузии сольватированных (гидратированных) ионов по всему объему растворителя (это физический процесс). В растворе всякая заряженная частица (ион или полярная молекула) окружается сольватной оболочкой , которая состоит из ориентированных соответствующим образом молекул растворителя. Если растворителем является вода, то употребляется термин гидратная оболочка , а само явление носит название гидратация .
Процесс образования растворов сопровождается тепловым эффектом, который может быть как эндотермическим, так и экзотермическим. Первая стадия растворения всегда проходит с поглощением тепла, а вторая может проходить как с поглощением, так и с выделением тепла. Следовательно суммарный тепловой эффект растворения зависит от теплового эффекта образования сольватов (гидратов). Соединения молекул или ионов растворяемого вещества с молекулами растворителя осуществляется, главным образом, за счет водородной связи, или же вследствие электростатического взаимодействия полярных молекул веществ. Состав сольватов (гидратов) меняется в зависимости от температуры и концентрации растворяемого вещества. С их повышением число молекул растворителя входящего в сольват (гидрат) уменьшается. Таким образом, растворы занимают промежуточное положение между механическими смесями и химическими соединениями.
Теория растворов еще не позволяет в любом случае предсказывать свойства растворов по свойствам их компонентов. Объясняется это чрезвычайно большим разнообразием и сложностью взаимодействий между молекулами растворителя и частицами растворенного вещества. Структура растворов, как правило, бывает значительно сложнее строения его отдельно взятых компонентов.
По агрегатному состоянию все растворы делятся на три группы: растворы газов в газах или газовые смеси; жидкие растворы; твердые растворы (сплавы металлов). В дальнейшем будут рассматриваться только жидкие растворы.
Растворы
Обязательно одним из компонентов является растворитель, остальные компоненты – растворенные вещества.
Растворителем является то вещество, которое в чистом виде имеет то же состояние, что и раствор. Если же таких компонентов несколько, то растворителем является тот, содержание которого в растворе больше.
Растворы бывают:
1. Жидкие (раствор NaCl в воде, раствор I 2 в спирте).
2. Газообразные (смеси газов, например: воздух – 21 % O 2 + 78 % N 2 + 1 % др. газов).
3. Твердые (сплавы металлов, например: Cu + N, Au + Ag).
Наиболее распространены жидкие растворы. Они состоят из растворителя (жидкости) и растворенных веществ (газообразных, жидких, твердых).
| Жидкие растворы | ||
Такие растворы могут быть водные и неводные .
Водные
Неводные
Долгое время на природу растворения существовало две точки зрения: физической и химической. Согласно первой, растворы рассматривались как механические смеси, согласно второй – как нестойкие химические соединения молекул растворенного вещества и растворителя. Последняя точка зрения была высказана Д.И. Менделеевым в 1887 г. и является в настоящее время общепризнанной.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ РАСТВОРОВ , созданной Менделеевым, сводятся к следующему:
1. Образование и существование раствора обусловлено взаимодействиями между всеми частицами, как уже существовавшими, так и образующимися при растворении.
2. Раствор является динамической системой, в которой распадающиеся соединения находятся в подвижном равновесии с продуктами распада в соответствии с законом действия масс.
При растворении вещества происходят два процесса, связанные с изменениями энергии системы «вещество – растворитель»:
1) разрушение структуры растворяемого вещества (при этом затрачивается определенная энергия) – реакция эндотермическая.
2) взаимодействие растворителя с частицами растворенного вещества (происходит выделение тепла) – реакция экзотермическая.
В зависимости от соотношения этих тепловых эффектов процесс растворения вещества может быть экзотермическим (∆H < O) или эндотермическим (∆H > O).
Теплота растворения ∆H – это количество теплоты, выделяющееся или поглощающееся при растворении 1 моль вещества.
Теплота растворения для различных веществ различна. Так, при растворении в воде гидроксида калия или серной кислоты температура значительно повышается (∆H < O), а при растворении нитратов калия или аммония резко снижается (∆H > O).
Выделение или поглощение теплоты при растворении есть признак химической реакции. В результате взаимодействия растворенного вещества с растворителем образуются соединения, которые называются сольватами (или гидратами , если растворителем является вода). Многие соединения такого вида непрочны, однако, в ряде случаев образуются прочные соединения, которые легко можно выделить из раствора кристаллизацией.
При этом выпадают кристаллические вещества, содержащие в своем составе молекулы воды, их называют кристаллогидратами (например: медный купорос CuSO 4 * 5 H 2 O – кристаллогидрат); вода, входящая в состав кристаллогидратов, называется кристаллизационной.
Представления о гидратации (соединение вещества с водой) было выдвинуто и развито русским ученым И.А. Каблуковым и В.А. Кистяковским. на основе этих представлений произошло объединение химической и физической точек зрения на растворы.
Таким образом, растворение растворы – физико-химические системы.
1.Растворы – гомогенные (однородные) системы переменного состава, которые содержат два или несколько компонентов и продукты их взаимодействия.
2.Растворы состоят из растворителя и растворенного вещества.
3.Растворы бывают:
А)Жидкие (раствор NaCl в воде, раствор I 2 в спирте).
Б)Газообразные (смеси газов, например: воздух – 21 % O 2 + 78 % N 2 + 1 % др. газов).
В)Твердые (сплавы металлов, например: Cu + N, Au + Ag).
| Жидкие растворы | ||
| жидкость + газообразное вещество (р-р O 2 в воде) | жидкость + жидкое вещество (р-р H 2 SO 4 в воде) | жидкость + твердое вещество (р-р сахара в воде) |
Такие растворы могут быть водные и неводные .
5.Водные – растворы, в которых растворителем является вода.
6.Неводные – растворы, в которых растворителями являются другие жидкости (бензол, спирт, эфир и др.)
7.ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ РАСТВОРОВ:
1.Образование и существование раствора обусловлено взаимодействиями между всеми частицами, как уже существовавшими, так и образующимися при растворении.
2.Раствор является динамической системой, в которой распадающиеся соединения находятся в подвижном равновесии с продуктами распада в соответствии с законом действия масс.
8.При растворении вещества происходят два процесса, связанные с изменениями энергии системы «вещество – растворитель»:
1.разрушение структуры растворяемого вещества (при этом затрачивается определенная энергия) – реакция эндотермическая.
2.взаимодействие растворителя с частицами растворенного вещества (происходит выделение тепла) – реакция экзотермическая.
9.Выделение или поглощение теплоты при растворении есть признак химической реакции.
10. В результате взаимодействия растворенного вещества с растворителем образуются соединения, которые называются сольватами (или гидратами , если растворителем является вода)
11.Кристаллические вещества, содержащие в своем составе молекулы воды, называют кристаллогидратами (например: медный купорос CuSO 4 * 5 H 2 O – кристаллогидрат); вода, входящая в состав кристаллогидратов, называется кристаллизационной
12.Растворение – это не только физический, но и химический процесс, а растворы – физико-химические системы.
Виды растворов (знать).
Растворение – процесс обратимый:
По соотношению преобладания числа частиц, переходящих в раствор и удаляющихся из раствора, различают растворы насыщенные , ненасыщенные и перенасыщенные .
С другой стороны, по относительным количествам растворенного вещества и растворителя растворы подразделяются на разбавленные концентрированные
Раствор, в котором данное вещество при данной температуре больше не растворяется, т.е. раствор находится в равновесии с растворяемым веществом, называется насыщенным ненасыщенным . В перенасыщенных Растворимостью Мерой растворимости или коэффициентом растворимости вещества при определенной температуре служит число граммов его, растворяющихся в 100 г воды.
По растворимости в воде твердые вещества условно делят на 3 группы:
1. Вещества, хорошо растворимые в воде (10 г вещества в 100, 0 воды. Например, в 1 л воды растворяется 200 г сахара).
2. Вещества, малорастворимые в воде (от 0, 01 до 10 г вещества в 100 г воды. Например: гипс CaSO 4 в 1 л растворяется 2, 0).
3. Вещества, практически нерастворимые в воде (0, 01 г в 100, 0 воды. Например, AgCl – в 1 л воды растворяется 1, 5 * 10 -3 г).
Растворимость вещества зависит от природы растворителя, от природы растворенного вещества, температуры, давления (для газов).
Растворимость газов при повышении температуры уменбшается, при повышении давления увеличивается.
Зависимость растворимости твердых веществ от температуры показывает кривая растворимости.
Растворимость многих твердых веществ увеличивается при повышении температуры.
По кривым растворимости можно определить:
1. Коэффициент растворимости веществ при различных температурах.
2. Массу растворенного вещества, которое выпадает в осадок при охлаждении раствора от t 1 0 C до t 2 0 C.
Процесс выделения вещества путем испарения или охлаждения его насыщенного раствора называется перекристаллизацией . Перекристаллизация используется для очистки веществ.
К сожалению, до настоящего времени не существует теории, позволяющей объединить результаты отдельных исследований и вывести общие законы растворимости. Подобное положение в значительной степени обусловлено тем, что растворимость различных веществ очень различно зависит от температуры.
Единственно, чем можно до некоторой степени руководствоваться – это старинным, найденным на опыте правилом: подобное растворяется в подобном . Смысл его в свете современных взглядов на строение молекул состоит в том, что если у самого растворителя молекулы неполярные или малополярные (например, бензол, эфир), то в нем будут хорошо растворяться от вещества с неполярными или малополярными молекулами, хуже – вещества с большей полярностью и практически не будут растворяться вещества, построенные по ионному типу. Наоборот, растворитель с сильно выраженным полярным характером молекул (например, вода) будет, как правило, хорошо растворять вещества с молекулами полярного и отчасти ионного типов и плохо – вещества с неполярными молекулами.
1.Растворение – процесс обратимый: растворяемое вещество + растворитель ↔ вещество в растворе ± Q.
2.По соотношению преобладания числа частиц, переходящих в раствор и удаляющихся из раствора, различают растворы насыщенные , ненасыщенные и перенасыщенные .
3.По относительным количествам растворенного вещества и растворителя растворы подразделяются на разбавленные (содержат мало растворенного вещества) и концентрированные (содержат много растворенного вещества).
4.Раствор, в котором данное вещество при данной температуре больше не растворяется называется насыщенным , а раствор, в котором еще можно растворить добавочное количество данного вещества – ненасыщенным . В перенасыщенных растворах вещества содержится больше, чем в насыщенном.
5.Растворимостью называется свойство вещества растворяться в воде и в других растворителях.
6.Растворимость вещества зависит от природы растворителя, от природы растворенного вещества, температуры, давления (для газов).
4. Способы выражения концентрации растворов: массовая доля
(знать).
Количественный состав раствора определяется его концентрацией.
Концентрация – это количество растворенного вещества, отнесенное к единице объема.
Различают два типа обозначений концентрации веществ – аналитические и технические.
Выше показано, что реакция чистой воды является нейтральной (рН = 7). Водные растворы кислот и оснований имеют, соответственно, кислую (рН < 7) и щелочную (рН > 7) реакцию. Практика, однако, показывает, что не только кислоты и основания, но и соли могут иметь щелочную или кислую реакцию - причиной этого является гидролиз солей. Взаимодействие солей с водой, в результате которого образуются кислота (или кислая соль), и основание (или основная соль), называется гидролизом солей. Рассмотрим гидролиз солей следующих основных типов: 1. Соли сильного основания и сильной кислоты (например, KBr, NаNО3) при растворении в воде не гидролизуются, и раствор соли имеет нейтральную реакцию….
Хорошо известно, что одни вещества в растворенном или расплавленном состоянии проводят электрический ток, другие в тех же условиях ток не проводят. Это можно наблюдать с помощью простого прибора. Он состоит из угольных стержней (электродов), присоединенных проводами к электрической сети. В цепь включена электрическая лампочка, которая показывает присутствие или отсутствие тока в цепи. Если опустить электроды в раствор сахара, то лампочка не загорается. Но она ярко загорится, если их опустить в раствор хлорида натрия. Вещества, распадающиеся на ионы в растворах или расплавах и потому проводящие электрический ток, называются электролитами. Вещества, которые в тех же условиях на ионы не распадаются и электрический ток не проводят, называются неэлектролитами. К электролитам относятся кислоты, основания и почти все соли, к неэлектролитам — большинство органических соединений,…
Для объяснения особенностей водных растворов электролитов шведским ученым С.Аррениусом в 1887 г. была предложена теория электролитической диссоциации. В дальнейшем она была развита многими учеными на основе учения о строении атомов и химической связи. Современное содержание этой теории можно свести к следующим трем положениям: 1. Электролиты при растворении в воде распадаются (диссоциируют) на ионы — положительные и отрицательные. Ионы находятся в более устойчивых электронных состояниях, чем атомы. Они могут состоять из одного атома — это простые ионы (Na+, Mg2+, Аl3+ и т.д.) — или из нескольких атомов — это сложные ионы (NО3—, SO2-4, РОЗ-4и т.д.). 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. Направленное движение ионов происходит в результате притяжения их противоположно заряженными электродами. 3. Диссоциация — обратимый процесс: параллельно с распадом молекул на ионы (диссоциация) протекает процесс соединения ионов (ассоциация). Поэтому в уравнениях электролитической диссоциации вместо знака равенства ставят знак обратимости. Например,…
Существенным является вопрос о механизме электролитической диссоциации. Легче всего диссоциируют вещества с ионной связью. Как известно, эти вещества состоят из ионов. При их растворении диполи воды ориентируются вокруг положительного и отрицательного ионов. Между ионами и диполями воды возникают силы взаимного притяжения. В результате связь между ионами ослабевает, происходит переход ионов из кристалла в раствор. При…
С помощью теории электролитической диссоциации дают определения и описывают свойства кислот, оснований и солей. Кислотами называются электролиты, при диссоциации которых в качестве катионов образуются только катионы водорода Н3РО4 Н+ + Н2РО—4(первая ступень) Н2РО—4 Н+ + НРO2-4 (вторая ступень) НРО2-4 Н+ PОЗ—4 (третья ступень) Диссоциация многоосновной кислоты протекает главным образом по первой ступени, в меньшей степени по второй и лишь в незначительной степени — по третьей. Поэтому в водном растворе, например, фосфорной кислоты наряду с молекулами Н3РО4 имеются ионы (в последовательно уменьшающихся количествах) Н2РО2-4, НРО2-4 и РО3-4. Основаниями называются электролиты, при диссоциации которых в качестве анионов образуются только гидроксид-ионы. Например: KOH K+ + OH—;…
Поскольку электролитическая диссоциация — процесс обратимый, то в растворах электролитов наряду с их ионами присутствуют и молекулы. Поэтому растворы электролитов характеризуются степенью диссоциации (обозначается греческой буквой альфа α). Степень диссоциации — это отношение числа распавшихся на ионы молекул N’ к общему числу растворенных молекул N: Степень диссоциации электролита определяется опытным путем и выражается в долях единицы или в процентах. Если α = 0, то диссоциация отсутствует, а если α = 1 или 100%, то электролит полностью распадается на ионы. Если же α = 20%, то это означает, что из 100 молекул данного электролита 20 распалось на ионы. Различные электролиты имеют различную степень диссоциации. Опыт показывает, что она зависит от концентрации электролита и от температуры. С уменьшением концентрации электролита,…
Согласно теории электролитической диссоциации все реакции в водных растворах электролитов являются реакциями между ионами. Они называются ионными реакциями, а уравнения этих реакций — ионными уравнениями. Они проще уравнений реакций, записанных в молекулярной форме, и имеют более общий характер. При составлении ионных уравнений реакций следует руководствоваться тем, что вещества малодиссоциированные, малорастворимые (выпадающие в осадок) и газообразные записываются в молекулярной форме. Знак ↓, стоящий при формуле вещества, обозначает, что это вещество уходит из сферы реакции в виде осадка, знак обозначает, что вещество удаляется из сферы реакции в виде газа. Сильные электролиты, как полностью диссоциированные, записывают в виде ионов. Сумма электрических зарядов левой части уравнения должна быть равна сумме электрических зарядов правой части. Для закрепления этих положений рассмотрим два примера. Пример 1. Напишите уравнения реакций между растворами хлорида железа (III) и гидроксида натрия в молекулярной и ионной формах. Разобьем решение задачи на четыре этапа. 1….
КH2O = 1.10-4 Данная константа для воды называется ионным произведением воды, которое зависит только от температуры. При диссоциации воды на каждый ион Н+ образуется один ион ОН—, следовательно, в чистой воде концентрации этих ионов одинаковы: [Н+] = [ОН—]. Используя значение ионного произведения воды, находим: = [ОН—] = моль/л. Таковы концентрации ионов Н+ и ОН—…
