Растворы – термодинамически устойчивые системы переменного состава, состоят не менее чем из двух компонентов и продуктов их взаимодействия. Это дисперсные системы, состоящие из дисперсной фазы и дисперсионной среды. Различают девять систем (табл. 1):

Таблица 1

Дисперсные системы

где Г – газ;

Т – твердое тело;

Ж – жидкость.

Существуют жидкие, газовые и твердые растворы . Растворы отличаются от химических соединений тем, что их состав может изменяться непрерывно. Как и любая химически равновесная в данных условиях система, растворы должны обладать минимумом свободной энергии Гиббса. По своему агрегатному состоянию дисперсные системы могут быть: газообразными, жидкими, твердыми; по степени дисперсности – взвесями, коллоидными и истинными растворами. Взвеси – гетерогенные системы, нестабильные во времени. Частицы их очень малы и сохраняют все свойства фазы. Взвеси расслаиваются, причем диспергированная фаза или выпадает в виде осадка, или всплывает в зависимости от соотношения плотностей. Примеры: туман (жидкость распределена в газе), суспензия (твердое тело – жидкость), эмульсия (жидкость – жидкость, C 2 H 5 OH + H 2 O – этиловый спирт и вода).

В истинном растворе распределенное в среде вещество диспергировано до атомного или молекулярного уровня. Примеры многочисленны: газообразный раствор – воздух, состоящий из главного компонента азота – 78% N 2 ; сплавы, представляющие собой твердые растворы, например, медные Cu – Zn, Cu – Cd, Cu – Ni и др.

Коллоидные растворы – микрогетерогенные системы, занимают промежуточное положение между истинными растворами и взвесями. Растворы состоят из растворенного вещества и растворителя. Растворителем считают тот компонент, который преобладает в растворе. Свойства растворов зависят от концентрации. Рассмотрим способы выражения концентрации растворов.

2. Концентрация и способы ее выражения

Концентрация – количество растворенного вещества, содержащееся в определенном количестве раствора или растворителя. При определении концентрации растворов используются различные методы аналитической химии: весовые, объемные, а также методы, основанные на измерении плотности, показателя преломления и других физико-химических свойств.

Виды концентрации

Массовая доля растворенного вещества в растворе ? , % – отношение массы вещества к массе раствора:

Пример: пусть m (CaCl 2) = 10 г, тогда ? (CaCl 2) = (10/100) ґ 100% = 10%.

Молярность раствора – число молей растворенного вещества в одном литре раствора.

Пример: 1 моль H 2 SO 4 – 98 г, до одного литра надо добавить воду.

Моляльность – число молей растворенного вещества на 1000 г растворителя. Пример:

H 2 SO 4 – 98 г/моль+1000 г H 2 O.

Мольная доля растворенного вещества в растворе, N

где n 1 – растворенное вещество (моль);

n 2 – растворитель (моль).

Пример: имеем 20% NaOH (едкий натр).

Титр – число растворенного вещества в одном миллилитре раствора. Существует титриметрический анализ – метод количественного анализа, при котором содержание определяемого вещества Х рассчитывают на основании измерения количества реактива, затраченного на взаимодействие с Х , выполнение реакции в титриметрическом анализе является конечной стадией анализа. Пример: объем кислоты оттитруем щелочью каплями до исчезновения окрас-ки – полная нейтрализация. При титровании

где Н – нормальность – число моль-эквивалентов растворенного вещества в одном литре раствора.

Основной характеристикой растворов является их растворимость – масса вещества, способная раствориться в ста граммах растворителя при данной температуре; этот процесс сопровождается тепловым эффектом. Количественно растворимость твердого тела, газа, жидкости в жидком растворителе определяется концентрацией насыщенного раствора при данной температуре, т. е. сколько вещества по массе (объему) в данном растворителе. Пример: m (NaCl) – 58,5 г на 100 г H 2 O при данной температуре. Насыщенный раствор – раствор, находящийся в равновесии, с избытком растворяемого вещества. Пересыщенный – неустойчивый раствор, содержащий больше вещества, чем это определяется его растворимостью.

Качественная характеристика состоит в способности растворяться или не растворяться, например, сера в воде не растворяется, йод в воде практически нерастворим. Процесс растворения состоит из двух стадий:

1. Растворимость в воде твердых веществ (разрушение кристаллов – эндотермическая реакция, т. е. тепло поглощается –q 1).

2. Отдельные частицы взаимодействуют с водой, этот процесс носит название – гидратация , при ней тепло выделяется +q 2

Q раствореия = –q 1 + q 2 .

Если –q 1 > q 2 , то суммарный эффект отрицателен (–Q ), если наоборот, то положителен (+Q ).

?H = 0 – одинаковые эффекты, ?H < 0 – тепло выделяется, ?H > 0 – тепло поглощается.

Тепловой эффект растворения – количество тепла одного моля вещества.

вещество + растворитель - насыщенный раствор + Q.

То вещество, которое растворяется с понижением температуры, увеличивает свою растворимость. Рассмотрим растворимость некоторых веществ. Пример, NH 4 NO 3 – нитрат аммония, растворимость падает до нуля, эндотермический эффект реакции. Рассмотрим стадии подробно: на первой стадии – эффект разрушения кристаллической решетки, эндотермический. На второй – равномерное распределение по объему с водой, гидратация – экзотермический.

q 1 > q 2 > – Q – тепло поглощается,

?H > 0.

Другой пример, NaOH – едкий натр, экзотермический эффект реакции,

q 1 < q 2 > +Q – тепло выделяется.

Значит, растворимость определяется природой соли вещества и растворителя.

Другой характеристикой растворов является диэлектрическая проницаемость – во сколько раз сила взаимодействия между двумя зарядами меньше, чем в вакууме.

Если растворить в ста миллилитрах водопроводной воды 10 г едкого натра NaOH, то температура резко повышается до 60 o С (температура воды из водопроводного крана +20 o С).

Если растворить 40 г нитрата аммония NH 4 NO 3 в 100 мл этой же воды, то температура резко понижается от +20 o С до –7 o С.

Если растворить хлорид натрия NaCl в 100 мл водопроводной воды, то температура не изменяется.

3. Растворимость газов в жидкостях

Она зависит от давления и температуры. Растворимость газов неодинакова из-за различной химической природы.

N 2 , H 2 – мало растворимы в воде, растворимость NH 3 , HCl очень велика, в одном объеме H 2 O растворяется 700 объемов аммиака NH 3 .

Газ + H 2 O > 3,5 объема О 2 в одном объеме Н 2 О экзотермический процесс. С повышением температуры растворимость некоторых газов уменьшается. При постоянной температуре и невысоком давлении растворимость газов, не вступающих в химическое взаимодействие с растворителем, подчиняется закону Генри – Дальтона, который состоит из нескольких частей.

1 часть: масса газа, растворяющаяся в данном объеме жидкости, пропорциональна давлению, которое газ производит на жидкость.

Например, CO 2 под давлением загоняем в бутылку.

2 часть: объем газа не зависит от давления.

3 часть: если смесь газов растворять, то растворимость каждой составной части пропорциональна своему парциальному давлению.

Газы, реагирующие с водой, не подчиняются закону Генри – Дальтона.

4. Растворы неэлектролитов. Закон Рауля и его следствия

Рассмотрим модель идеального раствора. Раствор называется идеальным , если в нем отсутствует взаимодействие между частицами (молекулами, атомами, ионами). Растворы неэлектролитов – частицы, плохо растворимые в воде, так как нет носителя электрического заряда. Закон Рауля справедлив только для разбавленных растворов неэлектролитов.

Пусть P BO – давление пара над чистым растворителем, при постоянной температуре T 1 ; P B – давление пара растворителя при этой же температуре, но над раствором, состоящим из нелетучего компонента А (сахар), и чистым жидким растворителем В :

P B = f (T ).

Разность P BO – P B равна понижению давления пара.

Величина (P BO – P B) /P BO – относительное понижение упругости пара = X A = ?P/P BO , где X A – мольная доля, P BO > P B , ?P = P BO – P B – абсолютное понижение упругости пара.

Закон Рауля. Относительное понижение упругости пара растворителя над раствором равно мольной доле растворенного нелетучего компонента.

барометрическая формула Больцмана.

Следствия из закона Рауля:

1. Растворение нелетучего компонента в растворителе приводит к расширению температурной области существования жидкой фазы.

2. Понижение температуры замерзания и повышение температуры кипения прямо пропорциональны моляльной концентрации растворенного вещества.

3. Растворы, содержащие одинаковое число молей растворенных веществ в одинаковых молях растворителя, обнаруживают одно и то же понижение температуры замерзания и одно и то же повышение температуры кипения.

?t кип =Э x С моляльн,

где Э – эбуллиоскопическая константа, +0,52.

?t зам =К x С моляльн,

где К – криоскопическая константа, равная –1,86.

Эбуллиоскопическая константа – разница между температурой кипения раствора и температурой чистого растворителя.

Криоскопическая константа – разница между температурой замерзания раствора и температурой чистого растворителя.

Для решения задач об этих константах необходимо знать массу растворенного вещества и массу раствора. Например, масса хлороформа (трихлорметан CHCl 3) рассчитывается по формуле:

где m 1 – масса растворенного вещества;

m 2 – масса растворителя;

?t – величина, показывающая на сколько градусов понизилась температура;

К – криоскопическая константа.

Осмос – явление селективной диффузии определенного сорта частиц через полупроницаемую перегородку. Это явление впервые описал аббат Нолле в 1748 г. Перегородки, проницаемые только для воды или другого растворителя и непроницаемые для растворенных веществ, как низкомолекулярных, так и высокомолекулярных, могут быть изготовлены из полимерных пленок (коллодия) или гелеобразных осадков, например, ферроцианида меди Cu 2 ; этот осадок образуется в порах перегородки стеклянного фильтра при погружении пористого материала сначала в раствор медного купороса (CuSO 4 x 5H 2 O), а затем желтой кровяной соли K 2 . Вещества диффундируют через такую перегородку, что является важным случаем осмоса, позволяющим измерять осмотическое дав-ление, т. е. осмотическое давление – мера стремления растворенного вещества перейти вследствие теплового движения в процессе диффузии из раствора в чистый растворитель; распределяется равномерно по всему объему растворителя, понизив первоначальную концентрацию раствора.

За счет осмотического давления сила заставляет жидкость подниматься вверх, это осмотическое давление уравновешивается гидростатическим давлением. Когда скорости диффундирующих веществ станут равны, тогда осмос прекратится.

Закономерности:

1. При постоянной температуре осмотическое давление раствора прямо пропорционально концентрации растворенного вещества.

2. Осмотическое давление пропорционально абсолютной температуре.

В 1886 г. Я. Г. Вант-Гофф показал, что величина осмотического давления может быть выражена через состояние газа

P осн V = RT .

Закон Авогадро применим к разбавленным растворам: в равных объемах различных газов при одинаковой температуре и одинаковом осмотическом давлении содержится одинаковое число растворенных частиц. Растворы различных веществ, имеющие одинаковые молярные концентрации при одинаковой температуре, имеют одинаковое осмотическое давление. Такие растворы называются изотоническими.

Осмотическое давление не зависит от природы растворяемых веществ, а зависит от концентрации. Если объем заменить на концентрацию, получим:

Рассмотрим закон Вант-Гоффа : осмотическое давление раствора численно равно тому давлению, которое производило бы данное количество растворенного вещества, если бы оно в виде идеального газа занимало при данной температуре объем, равный объему раствора.

Все описанные законы относятся к бесконечно разбавленным растворам.

Парциальное давление

Парциальное давление – то давление, которое оказывал бы газ, входящий в газовую смесь, если бы из нее были удалены все остальные газы при условии сохранения постоянными температуры и объема.

Общее давление газовой смеси определяется законом Дальтона : общее давление смеси газов, занимающих определенных объем, равно сумме парциальных давлений, которыми обладал бы каждый отдельно взятый газ, если бы он занимал объем, равный объему смеси газов.

Р = Р 1 + Р 2 + Р 3 + … + Р к ,

где Р – общее давление;

Р к – парциальное давление компонентов.

6. Фугитивность

Фугитивность – функция, характеризующая состояние данного вещества в чистом виде или в смеси с другими веществами при заданных температуре и давлении. По-другому она называется термодинамическая летучесть; является величиной, количественно характеризующей способность вещества к выходу из данной фазы, но выражающей эту характеристику в единицах давления. Для жидкостей и твердых тел она связана с давлением насыщенного пара и становится равной ему, когда к пару применимы законы идеальных газов. Для идеального газа, чтобы найти, например, изменение энергий Гиббса при изотермическом процессе, надо просто решить задачу в соответствии с уравнением Менделеева – Клапейрона:

Для упрощения расчета Г. Льюисом в 1901 г. была введена функция f от Р – фугитивность. Заменяя давление фугитивностью, мы сохраняем простую математическую форму, которую имеют термодинамические зависимости для идеального газа.

Итак, новая функция определяется уравнением:

Значения фугитивности при больших давлениях (и низких температурах) сильно отличаются от Р. Так, при t = 0 и Р = 1200, f co = 2663, при t = 0, P = 100, f NH3 = 204, а для N 2 при t = –75, P = 6000, f – 2 x 10 6 , то есть фугитивность становится несоизмеримой с давлением.

Фугитивность можно определить как давление, которое должна производить данная реальная система, чтобы оказывать такое же действие, как и идеальная. Она характеризует отклонение от идеального состояния и, подобно давлению для идеального газа, может рассматриваться как мера рассеиваемости вещества. С приближением реального газа к идеальному состоянию/по величине приближается к Р, так что для идеального газа при всех давлениях обе величины становятся равными, то есть:

Видно, что размерность/совпадает с размерностью Р. Следует подчеркнуть, что замена Р на/в уравнениях идеального газа при переходе к реальному справедлива только для изотермического процесса, так как в соответствии с (2) фугитивность является специфической изотермической функцией. Для характеристики степени отклонения газа от идеального состояния вводят также величину

где ? – коэффициент фугитивности.

7. Закон Генри

Фугитивность растворителя в разбавленном растворе не зависит от природы растворенного вещества и вычисляется по закону Рауля, то есть:

Так как фугитивность жидкости или твердого раствора равна фугитивности насыщенного пара, когда растворитель в парообразном состоянии ведет себя как идеальный газ, уравнение (4) переходит в

Зная зависимостьf 1 от состава, можно найти зависимость f 2 от N 2 по уравнению:

N 1 dRT ln (f 1 N 1) + N 2 dRT ln f 2 = 0

ln f 2 = l n N 2 + const.

Переписывая это уравнение в виде

ln f 2 = l n N 2 + ln K(P, T),

получим при P,T= const

f 2 = KN 2

Если в последнем уравнении рассматривать f 2 как фугитивность растворенного вещества в газовой фазе, сосуществующей жидкой (твердой), то она является точной термодинамической формой закона Генри .

Его формулировка: зависимость растворимости газа в жидкости от давления, заключается в том, что при постоянной температуре газа, растворенного в данной жидкости, растворимость газа пропорциональна его давлению над раствором.

Краткая формулировка: растворимость газа пропорциональна давлению. Этот закон установлен в 1803 г. Ему отвечает уравнение:

где Р 2 – парциальное давление растворенного газа.

Газовый закон Генри точно соблюдается только для идеальных растворов и применим лишь в области невысоких давлений к газам, достаточно хорошо подчиняющимся законам Бойля – Мариотта и Гей-Люссака.

Таким образом, для разбавленного раствора фугитивность растворителя вычисляется по закону Рауля, а фугитивность растворенного вещества – по закону Генри. Константа Генри приобретает смысл фугитивности (давления) чистого растворенного вещества при давлении, равном общему давлению над раствором.

Леккия №17

РАСТВОРЫ

Общая характеристика растворов.

Способы выражения концентрации растворов.

Термодинамика и механизм процесса растворения.

Растворимость.

Вода как растворитель. Значение растворов в жизнедеятельности организмов

1. Общая характеристика растворов.

Растворы – это гомогенные системы переменного состава, включающие два и более компонентов. Частицы компонентов раствора распределены по его объему в виде атомов, молекул или ионов (размер частиц 0,1 – 0,5 нм).

Образование растворов, в отличие от механических смесей, сопровождается изменением энтальпии, энтропии и объема системы.

По агрегатному состоянию различают газовые, жидкие и твердые растворы. Но обычно термин растворы относится к жидким системам.

2. Способы выражения концентрации растворов.

Относительное содержание компонентов в растворе определяется его концентрацией.

М олярная концентрация – это количество вещества, содержащееся в одном литре раствора (моль/л):

Э
квивалентная концентрация – это число молей эквивалентов вещества, содержащихся в одном литре раствора (моль/л):

Эквивалент – это реальная или условная частица вещества, которая в кислотно-основной реакции эквивалентна одному иону водорода, а в окислительно-восстановительной эквивалентна одному электрону.

Масса одного моля эквивалентов называется молярной массой эквивалента вещества (Э). В разных реакциях одно и то же вещество может иметь разные эквиваленты.

Моляльная концентрация – это количество вещества, содержащееся в одном килограмме растворителя (моль/кг):

М
ассовая доля равна отношению массы растворенного вещества к массе раствора:

М
олярная доля равна отношению количества растворенного вещества в общему количеству веществ в растворе:

К
ак правило, вещество обладает определенной растворимостью в данном растворителе. Под растворимостью понимают концентрацию вещества в насыщенном растворе.

3. Термодинамика и механизм процесса растворения

Растворение – сложный физико-химический процесс, включающий три основные стадии, каждая из которых характеризуется изменениями термодинамических функций Н и S:

разрушение химических и межмолекулярных связей в растворяемом веществе (например, разрушение кристаллической решетки): Н 1 >0, S 1 >0

химическое взаимодействие частиц растворенного вещества с растворителем (сольватация): Н 2 <0, S 2 <0

равномерное распределение частиц растворенного вещества в среде растворителя путем диффузии: Н 3 >0, S 3 >0

Согласно 2-му закону термодинамики условием самопроизвольности процесса растворения является убыль энергии Гиббса:

G = H - TS < 0,

которая складывается из энтальпийного Н и энтропийного TS факторов.

Растворение газов в жидкостях приводит к упорядочению системы и, следовательно, сопровождается уменьшением энтропии: S р-ния <0. Движущей силой процесса растворения в этом случае является энтальпийный фактор и растворение большинства газов является процессом экзотермическим: Н р-ния <0. Таким образом, самопроизвольное растворение газов возможно при низких температурах (|Н| > |TS|)

Растворение жидких и твердых веществ в жидкостях приводит к увеличению беспорядка в системе и увеличению энтропии: S р-ния >0. Суммарный тепловой эффект процесса растворения определяется в основном слагаемыми Н 1 и Н 2 и в зависимости от их соотношения может и быть и положительным (NaCl), и отрицательным (NaOH). Растворение большинства кристаллических веществ – процесс эндотермический Н р-ния >0, так как энергия, затрачиваемая на разрушение кристаллической решетки не компенсируется энергией, выделяемой за счет сольватации. Таким образом, самопроизвольному растворению большинства твердых веществ способствуют высокие тепмературы (|Н| < |TS|).

Растворы, образование которых не сопровождается изменениями объема системы и тепловыми эффектами (V=0, Н=0), называют идеальными . Движущей силой образования идеального раствора является увеличение энтропии системы. Идеальный раствор – понятие абстрактное. Реальные системы могут лишь приближаться к идеальным. Наиболее близки к модели идеального раствора системы, в которых компоненты близки по свойствам и практически не взаимодействуют друг с другом (например, раствор толуола в бензоле). Приближаются по свойствам к идеальным бесконечно разбавленные растворы, в которых взаимодействиях сводятся к минимуму за счет низкой концентрации растворенного вещества.

4. Растворимость

Под растворимостью понимают концентрацию растворенного вещества в насыщенном растворе.

Растворимость выражают в тех же единицах, что и концентрацию. Часто используют коэффициент растворимости s, равный массе растворенного вещества (г) в насыщенном растворе, содержащем 100 г растворителя.

Насыщенным называют раствор, который находится в равновесии с избытком растворяемого вещества (G р-ния =0). Насыщенный раствор имеет максимально возможную в данных условиях концентрацию.

Растворимость зависит:

от природы растворенного вещества и растворителя;

от температуры;

от давления;

от присутствия третьих компонентов.

Влияние природы компонентов на растворимость определяется принципом: подобное растворяется в подобном . Полярные растворители, например, вода, хорошо растворяют вещества с ионной связью (неорганические соли, кислоты и основания). Хорошей растворимостью в воде обладают полярные органические соединения, образующие с молекулами растворителя водородные связи (спирты, карбоновые кислоты, амины). Неполярные растворители, например, углеводороды, растворяют неполярные и малополярные соединения (жиры).

Влияние температуры на растворимость зависит от теплового эффекта растворения и определяется принципом Ле Шателье. Повышению растворимости газов способствует понижение температуры, так как растворение газов – процесс экзотермический. Растворимость большинства твердых веществ и жидкостей - процесс эндотермический и возрастает при повышении температуры.

Влияние давления существенно только в том случае, если при растворении происходит значительное изменение объема системы, что наблюдается при растворении газов в жидкостях. Растворимость газов растет с увеличением давления, так как сопровождается уменьшением объема системы.

Закон Генри:

Количество газа, растворенного в определенном объеме жидкости при постоянной температуре прямо пропорционально давлению газа.

c (X ) = K г  p (X )

где c(X) – молярная концентрация газа,моль/л

K г - константа Генри, моль/лПа

p(X) – давление газа над раствором, Па

Влияние присутствия третьих компонентов.

Растворимость газов в жидкостях значительно снижается в присутствии электролитов (солей) Этот процесс называют высаливанием .

Закон Сеченова:

Растворимость газов в жидкостях в присутствии электролитов понижается.

С(X) = С 0 (X)

где С(X) – растворимость газа в присутствии электролита

С 0 (X) – растворимость газа в чистом растворителе

К С - константа Сеченова

С э - концентрация электролита

Биологическое значение законов Генри и Сеченова.

Изменение растворимости газов в крови при изменении давления может привести к тяжелым заболеванием. Кесонная болезнь у водолазов – проявление закона Генри. В соответствии с законом Сеченова растворимость кислорода и углекислого газа в крови зависит от концентрации электролитов, а также белков, липидов и других веществ.

5. Вода как растворитель. Значение растворов в жизнедеятельности организмов

Самым распространенным растворителем на нашей планете является вода. У животных и растительных организмов содержание воды составляет обычно более 50%, а в ряде случаев достигает 90-95%.

Вода хорошо растворяет многие ионные и полярные соединения. Такое свойство воды связано с ее высокой диэлектрической проницаемостью (= 78,5). В результате многие ионные соединения диссоциируют и отличаются высокой растворимостью в воде. Другой класс веществ, хорошо растворимых в воде, составляют полярные органические соединения (спирты, альдегиды, кетоны). Их растворимость обусловлена образованием водородных связей с молекулами воды.

Важны и другие аномальные свойства воды: высокое поверхностное натяжение, низкая вязкость, высокие температуры плавления и кипения, более высокая плотность в жидком состоянии, чем в твердом.

Вследствие высокой полярности вода вызывает гидролиз веществ (эфиров, амидов и др.). Так как вода составляет основную часть внутренней среды организма, то она обеспечивает процессы всасывания, передвижения питательных веществ и продуктов обмена в организме.

Важнейшие биологические жидкости – кровь, лимфа, моча, слюна, пот являются растворами солей, белков, углеводов, липидов в воде. Биохимические процессы в живых организмах протекает в водных растворах.

В жидких средах организма поддерживается постоянство рН, концентрации солей и органических веществ, постоянство осмотического давления. Такое постоянство называется гомеостазом. Приведенные примеры показывают, что учение о растворах представляет особый интерес для медиков.

Химические растворы находят применение в самых разных отраслях промышленности. Самые распространенные растворы, используемые в химическом производстве, это растворы кислот и щелочей. Рассмотрим же основные из них.

Бисульфит натрия NaHSO 3

Данный вид раствора имеет светло-желтый окрас. В ряде случаев может становиться коричневого оттенка. Зачастую для транспортировки и хранения бисульфита натрия используются бутылки из стекла или железнодорожные цистерны. Но в случае покупки такого вещества возможен его разлив по канистрам, бочкам и иным емкостям аналогичного типа. Период годности раствора равен 90 дням с даты изготовления.

Гидроокись калия KOH

Гидроокись калия — это кристаллы, не имеющие цвета, используемые во время производства жидкого мыла и получения различных калиевых соединений. Кроме этого, активного применения приобрело вещество при изготовлении метана и в роли электролитов в структуре батареек. Вещество такого рода способствует очищению нержавеющей стали от жирных пятен и прочего род загрязнений.

Раствор хлористого кальция CaCl 2

Хлористый кальций — это соль соляной кислоты. Ему свойственно замерзать при холодной погоде (в соотношении: 20% при -18, 30% при -48 градусах по Цельсию). Раствор хлористого кальция широко применяется на газораспределительных станциях, в строительной сфере (обеспечивает быстрое схватывание цемента), с целью противодействия гололеду, в таких отраслях промышленности как пищевая и медицинская. Для хранения и перемещения используются канистры и кубы.

Раствор едкого натрия NaOH

Раствор едкого натрия широко используется в качестве реагента во время проведения различных химических реакций. Является сильной щелочью, по этой причине довольно часто он применяется с целью нейтрализации едкой кислоты. Кроме того, в качестве составляющей входит в содержание средств для отбеливания, ДВП, бумаги, парфюмерных и косметических продуктов.

Раствор серной кислоты H 2 SO 4

Серная кислота входит в класс двухосновных сильнодействующих кислот. Имеет вид густообразной бесцветной жидкости, не имеющей запаха. В промышленной сфере зачастую применяются такие растворы на основе дистиллированной воды. Уровень концентрации самой кислоты зависит от области использования раствора. Зачастую вещество применяют при выполнении химического синтеза, для очищения сырой нефти, во время производства удобрений и средств бытовой химии.

Раствор соляной кислоты HCl

Соляная кислота представлена химическим веществом в виде бесцветной жидкости, которой присущ резкий запах. Данный вид элемента выступает в качестве очень сильного растворителя. Приобрела широкое распространение в таких областях: химическая промышленность, гальванопластика, медицины, выпуск бумажных и картонных изделий. Хранение и транспортировка вещества осуществляется в обычных канистрах или кубах.

Сульфаминовая кислота NH 2 SO 3 H

Сульфаминовая кислота представлена в виде растворимого в воде кристаллического вещества, имеющего белый либо серый оттенок. Раствор такой кислоты используется с целью очищения промышленных устройств, для придания материалам из текстиля огнезащитных характеристик. Срок годности такого вещества составляет один год.

Растворы.

Растворами называют однородные системы переменного состава. Химический состав и физические свойства одного раствора во всех частях его объёма одинаковы.

В отличие от простого смешивания веществ, при растворении происходит взаимодействие между частицами , образующими раствор.

Часто для определения раствора используют понятия гомогенной и системы.

В этом случае, раствором называется гомогенная система , состоящая из двух или более компонентов.

Гомогенные и гетерогенные системы

Гомогенная система (от греч. όμός - равный, одинаковый; γένω - рождать) - однородная система, химический состав и физические свойства которой во всех частях одинаковы или меняются непрерывно, без скачков (между частями системы нет поверхностей раздела).

В гомогенной системе из двух и более химических компонентов каждый компонент распределен в массе другого в виде молекул, атомов, ионов. Составные части гомогенной системы нельзя отделить друг от друга механическим путем.

Гетерогенная система (от греч. έτερος - разный; γένω - рождать) - неоднородная система, состоящая из однородных частей (фаз), разделённых поверхностью раздела.

Растворы могут существовать в трёх агрегатных состояниях – твёрдом, жидком и газообразном (парообразном). Примерами твёрдых растворов могут служить некоторые сплавы металлов, например сплав золота и меди, газообразных – воздух.

Наиболее важный вид растворов – жидкие растворы.

Растворы имеют чрезвычайно важное значение в жизни человека. Так, процессы усвоения пищи человеком и животными связаны с переводом питательных веществ в раствор. Растворами являются все важнейшие физиологические жидкости (кровь, лимфа и т.д.).

Растворители

Всякий раствор состоит из растворённых веществ и растворителя, т.е. среды, в которой эти вещества равномерно распределены в виде молекул и ионов.

Обычно растворителем считают тот компонент, который в чистом виде существует в том же агрегатном состоянии, что и полученный раствор. Например, в случае водного раствора соли растворителем является вода.

Если же оба компонента до растворения находились в одинаковом агрегатном состоянии (например, спирт и вода), то растворителем считается компонент, находящийся в большем количестве.

Истинные и коллоидные растворы

В растворах вещества могут находиться в различных степенях дисперсности (т.е. раздробленности). Величина частиц служит важным признаком, обуславливающим многие физикохимические свойства растворов.

По величине частиц растворы делятся на:

1. Истинные растворы (размер частиц меньше 1 мкм) и

2. Коллоидные растворы (размер частиц от 1 до 100 мкм).

Смеси с частицами размером более 100 мкм образуют взвеси: суспензии и эмульсии .

Истинные растворы могут быть ионными или молекулярными в зависимости от того, диссоциирует ли растворённое вещество на ионы или остаётся в недиссоциированном состоянии в виде молекул.

Коллоидные растворы резко отличаются по свойствам от истинных растворов. Они гетерогенны , так как имеют поверхность раздела между фазами – растворённым веществом (дисперсной фазой ) и растворителем (дисперсионной средой ).

Растворы высокомолекулярных соединений: белков, полисахаридов, каучука обладают свойствами как истинных, так и коллоидных растворов и выделяются в особую группу.

Растворы, механические смеси и химические соединения

Однородность растворов делает их очень сходными с химическими соединениями.

Химическое соединение - сложное вещество, состоящее из химически связанных атомов двух или нескольких элементов.

Раствор это не одно химическое соединение, а как минимум два смешанных соединения. В отличие от простого смешивания веществ, при растворении происходит взаимодействие между частицами, образующими раствор .

Выделение теплоты при растворении некоторых веществ тоже указывает на химическое взаимодействие между растворителем и растворяемым веществом.

Отличие растворов от химических соединений состоит в том, что состав раствора может изменяться в широких пределах. Кроме того, в свойствах раствора можно обнаружить многие свойства его отдельных компонентов, чего не наблюдается в случае химического соединения.

Непостоянство состава растворов приближает их к механическим смесям.

Механическая смесь - физико-химическая система, в состав которой входят два или несколько химических соединений (компонентов). В смеси исходные вещества включены неизменными. При смешивании не возникает никакое новое вещество .

От механических смесей растворы резко отличаются своею однородностью. Таким образом, растворы занимают промежуточное положение между механическими смесями и химическими соединениями.

Процесс растворения

Растворение кристалла в жидкости протекает следующим образом.

Когда вносят кристалл в жидкость, в которой он может растворяться, от поверхности его отрываются отдельные молекулы. Последние благодаря диффузии равномерно распределяются по всему объёму растворителя.

Отделение молекул от поверхности твёрдого тела вызывается, с одной стороны, их собственным колебательным движением, а сдругой – притяжением со стороны молекул растворителя.

Этот процесс должен был бы продолжаться до полного до полного растворения любого количества кристаллов, если бы не происходил обратный процесс – кристаллизация . Перешедшие в раствор молекулы, ударяясь о поверхность ещё не растворившегося вещества, снова притягиваются к нему и входят в состав его кристаллов.

Понятно, что выделение молекул из раствора будет идти тем быстрее, чем больше концентрация раствора . А так как последняя по мере растворения вещества увеличивается, то, наконец наступает такой момент, когда скорость растворения становится равной скорости кристаллизации . Тогда устанавливается динамическое равновесие , при котором в единицу времени растворяется и кристаллизуется одинаковое число молекул.

Раствор, находящийся в равновесии с растворяющимся веществом, называется насыщенным раствором .

Концентрация растворов

Насыщенными растворами приходится пользоваться сравнительно редко. В большинстве случаев употребляются растворы ненасыщенные, т.е. с меньшей концентрацией растворённого вещества, чем в насыщенном растворе.

Концентрацией раствора называется количество растворённого вещества, содержащееся в определённом количестве раствора или растворителя .

Растворы с большой концентрацией растворённого вещества называются концентрированными , с малой – разбавленными .

Концентрацию раствора можно выражать по разному:

1. В процентах растворённого вещества по отношению ко всему количеству раствора.

2. Числом грам-молекул растворённого вещества, содержащегося в 1 литре раствора.

3. Числом грамм-молекул растворённого вещества, содержащегося в 1000 г растворителя
и т.д.

Растворимость

Растворимостью называется способность вещества растворяться в том или ином растворителе .

Мерой растворимости вещества при данных условиях служит концентрация его насыщенного раствора .

Растворимость различных веществ колеблется в широких пределах.

• Если в 100 граммах воды растворяется более 10 г вещества, то такое вещество
  принято называть хорошо растворимым .
• Если растворяется менее 1 г вещества – малорастворимым .
• Если в раствор переходит менее 0,01 г вещества, то такое вещество называют
  практически нерастворимым .

Принципы, позволяющие предсказать растворимость вещества, пока не известны. Однако, обычно вещества, состоящие из полярных молекул, и вещества с ионным типам связи лучше растворяются в полярных растворителях (вода, спиры, жидкий амиак), а неполярные вещества – в неполярных растворителях (бензол, сероуглерод).

Растворение большинства твёрдых тел сопровождается поглощением теплоты. Это объясняется затратой значительного количества энергии на разрушение кристаллической решётки твёрдого тела, что обычно не полностью компенсируется энергией, выделяющейся при образовании гидратов (сольватов).

Как правило, повышение температуры должно приводить к увеличению растворимости твёрдых тел.

Растворы - это состоящая из двух или более веществ однородная масса или смесь, в которой одно вещество выступает в качестве растворителя, а другое - в качестве растворяемых частиц.

Существует две теории трактовки происхождения растворов: химическая, основоположником которой является Менделеев Д. И., и физическая, предложенная немецким и швейцарским физиками Оствальдом и Аррениусом. Согласно трактовке Менделеева, компоненты растворителя и растворяемого веществ становятся участниками химической реакции с образованием неустойчивых соединений этих самых компонентов или частиц.

Физическая же теория отрицает химическое взаимодействие между молекулами растворяющего и растворяемого веществ, объясняя процесс образования растворов как равномерное распределение частиц (молекул, ионов) растворителя между частицами растворяемой субстанции вследствие физического явления, именуемого диффузией.

Классификация растворов по различным критериям

На сегодня нет единой системы классификации растворов, однако условно виды растворов можно сгруппировать по наиболее значимым критериям, а именно:

I) По агрегатному состоянию выделяют: твёрдые, газообразные и жидкие растворы.

II) По размерам частиц растворённого вещества: коллоидные и истинные.

III) По степени концентрации частиц растворённого вещества в растворе: насыщенные, ненасыщенные, концентрированные, разбавленные.

IV) По способности проводить электрический ток: электролиты и неэлектролиты.

V) По назначению и области применения: химические, медицинские, строительные, специальные растворы и др.

Виды растворов по агрегатному состоянию

Классификация растворов по агрегатному состоянию растворителя приводится в широком смысле значения этого термина. Принято считать растворами жидкие субстанции (причём в качестве растворяемого вещества может выступать как жидкий, так и твёрдый элемент), однако если учесть тот факт, что раствор - это гомогенная система из двух или нескольких веществ, то вполне логично признать также и твёрдые растворы, и газообразные. Твёрдыми растворами принято считать смеси, например, нескольких металлов, больше известных в обиходе как сплавы. Газообразные виды растворов - это смеси нескольких газов, пример - окружающий нас воздух, который представлен в виде соединения кислорода, азота и углекислого газа.

Растворы по размеру растворённых частиц

Виды растворов по размеру растворённых частиц включают истинные (обычные) растворы и В растворяемое вещество распадается на мелкие молекулы или атомы, по размерам приближённые к молекулам растворителя. При этом истинные виды растворов сохраняют первоначальные свойства растворителя, лишь слегка преображая его под действием физико-химических свойств добавленного в него элемента. Например: при растворении поваренной соли или сахара в воде вода остаётся в том же агрегатном состоянии и той же консистенции, практически такого же цвета, меняется только её вкус.

Коллоидные растворы отличаются от обычных тем, что добавляемый компонент распадается не полностью, сохраняя сложные молекулы и соединения, размеры которых значительно превышают частицы растворителя, превосходя значение 1 нанометра.

Виды концентрации растворов

В одно и то же количество растворителя можно добавить разное количество растворяемого элемента, на выходе будем иметь растворы с разной концентрацией. Перечислим основные из них:

1. Насыщенные растворы характеризуются степенью при которой растворяемый компонент под влиянием постоянной величины температуры и давления больше не распадается на атомы и молекулы и раствор достигает фазового равновесия. Насыщенные растворы также условно можно разделить на концентрированные, в которых растворённого компонента сопоставима с растворителем, и на разбавленные, где растворённого вещества в несколько раз меньше растворителя.
2. Ненасыщенные - это те растворы, в которых растворяемое вещество ещё может распадаться на мелкие частицы.
3. Пересыщенные растворы получаются тогда, когда изменяются параметры воздействующих факторов (температура, давление), в результате чего продолжается процесс "дробления" растворённого вещества, его становится больше, чем было при нормальных (обычных) условиях.

Электролиты и неэлектролиты

Некоторые вещества в растворах распадаются на ионы, способные проводить электрический ток. Такие гомогенные системы называются электролитами. В эту группу входят кислоты, большинство солей. А растворы, не проводящие электрический ток, принято называть неэлектролитами (почти все органические соединения).

Группы растворов по назначению

Растворы незаменимы во всех отраслях народного хозяйства, специфика которых создала такие виды специальных растворов, как медицинские, строительные, химические и другие.

Медицинские растворы - это совокупность препаратов в форме мазей, суспензий, микстур, растворов для инфузий и инъекций и прочих лекарственных форм, применяемых в медицинских целях для лечения и профилактики различных заболеваний.

Виды химических растворов включают в себя огромное множество гомогенных соединений, используемых в химических реакциях: кислоты, соли. Эти растворы могут быть органического или неорганического происхождения, водные (морская вода) или безводные (на основе бензола, ацетона и т. д.), жидкие (водка) или твёрдые (латунь). Они нашли своё применение в самых различных отраслях национального хозяйства: химическая, пищевая, текстильная промышленность.

Виды строительных растворов отличаются вязкой и густой консистенцией, из-за чего им больше подходит название смеси.

Благодаря своей способности быстро затвердевать они с успехом применяются в качестве для кладки стен, потолков, несущих конструкций, а также для отделочных работ. Представляют собой водные растворы, чаще всего трёхкомпонентные (растворитель, цемент различных маркировок, заполнитель), где в качестве наполнителя используется песок, глина, щебень, известь, гипс и другие строительные материалы.