КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ СПБГЭТУ РАСТВОРЫ ВЕСЕННИЙ СЕМЕСТР 2016 -2017 УЧ. ГОД
Растворы. Классификация растворов Раствор – гомогенная (однофазная) система, состоящая из двух или более независимых компонентов (растворитель и растворенное(ые) вещество(а)), а также продуктов их взаимодействия Растворитель – компонент, количество которого в системе преобладает либо не меняет своего агрегатного состояния Компоненты растворов сохраняют свои уникальные свойства и не вступают в химические реакции между собой с образованием новых соединений t 2 H 2+O 2→ 2 H 2 O 2
Растворы. Классификация растворов Раствор – гомогенная (однофазная) система, состоящая из двух или более независимых компонентов (растворитель и растворенное(ые) вещество(а)), а также продуктов их взаимодействия Растворитель – компонент, количество которого в системе преобладает либо не меняет своего агрегатного состояния По агрегатному состоянию: Жидкие растворы Газообразные растворы 1. растворы твердых веществ в жидкостях: соль+Н 2 О, сахар+Н 2 О , йод+Н 2 О (Смесь газов) 2. растворы газообразных веществ в жидкостях: лимонады, нашатырный спирт 3. растворы жидкостей в жидкостях: уксус, водка воздух – это раствор кислорода, паров воды, углекислого газа (СО 2) и благородных газов в азоте 3
Растворы. Классификация растворов Раствор – гомогенная (однофазная) система, состоящая из двух или более независимых компонентов (растворитель и растворенное(ые) вещество(а)), а также продуктов их взаимодействия Растворитель – компонент, количество которого в системе преобладает либо не меняет своего агрегатного состояния По агрегатному состоянию : Твёрдые растворы сплавы металлов замещения внедрения латунь – твёрдый раствор, смесь двух твёрдых веществ (меди и цинка), образующих одну твёрдую фазу 4
Растворы. Классификация растворов По размеру частиц: Истинный раствор – однофазная система, образованная не менее чем двумя компонентами (т. е. компоненты равномерно распределены в системе на уровне атомов, молекул или ионов) Коллоидный раствор – тонкодисперсная (гетерогенная) система с размерами частиц от 500 до 1 нм при пропускании через него луча света образуется светящаяся дорожка – конус Эмульсия – дисперсная система, состоящая из микроскопических капель жидкости (дисперсной фазы), распределенных в другой жидкости (дисперсионной среде Суспензия или взвесь – это грубодисперсная система с твёрдой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой 5
6
Растворение веществ (образование растворов). Растворение — сложный физико химический процесс, который включает несколько стадий: 1. Разрушение кристаллической решетки растворенного вещества 2. Постепенный переход частиц, образующих кристалл, в раствор. 3. Распределение частиц, перешедших в раствор, по всему объему растворителя 7
Физические и химические процессы при растворении Физическая теория растворов – идея индифферентности и подобия газовым системам (Я. Вант-Гофф) Процесс растворения является результатом диффузии, т. е. проникновением растворенного вещества в промежутки между молекулами растворителя, т. е. физическое явление (Вант-Гофф, Аррениус, Оствальд) Якоб Хендрик Вант-Гофф Химическая теория (Д. И. Менделеев) Растворение является результатом химического взаимодействия растворенного вещества с молекулами растворителя, т. е. химическое явление Сольватация – процесс взаимодействия растворителя и растворённого вещества Дмитрий Иванович Менделеев 8
Физические и химические процессы при растворении Механическая смесь Раствор • переменность состава • непрерывная, плавная зависимость свойств от состава Химическое соединение • однородность состава по всей фазе • наличие теплового эффекта при образовании Физико-химическая теория растворов 9
Физические и химические процессы при растворении Тепловой эффект, сопровождающий процесс растворения, относящийся к 1 молю растворенного вещества называется молярной теплотой растворения ∆Нраств. ∆Н 1 > 0 – количество теплоты, затраченной на распределение частиц растворяемого вещества среди молекул растворителя (процесс эндотермический) ∆Н 2 < 0 – количество теплоты, выделяющейся при взаимодействии растворенного вещества с молекулами растворителя и образование связей между ними (тепловой эффект сольватации, процесс экзотермический) для твёрдого вещества: ∆Н 1 > 0 – энергия, необходимая для разрушения кристаллической решетки и энергия необходимая для разрыва связей между молекулами растворителя (процесс эндотермический) В зависимости от преобладания первой или второй составляющих, процесс растворения может быть экзотермическим или эндотермическим: если │∆Н 2│> │∆Н 1│, процесс экзотермический и ∆Нраств. < 0 если │∆Н 2│< │∆Н 1│, процесс эндотермический и ∆Нраств. > 0 KOH ∆Нраств. = – 55. 65 к. Дж/моль NH 4 NO 3 ∆Нраств. = 26. 48 к. Дж/моль 10
Растворы. Классификация растворов По относительным количествам растворенного вещества: разбавленные и концентрированные По соотношению преобладания частиц, переходящих в раствор и удаляющихся из раствора: ненасыщенные, насыщенные и пересыщенные Раствор концентрация которого ниже концентрации насыщенного раствора называется ненасыщенным Насыщенный раствор – это раствор, который находится в равновесии с твёрдой фазой растворенного вещества и содержит максимально возможное при данных условиях количество этого вещества Пересыщенный раствор - раствор, в котором при данной температуре содержится б. Ольшее количество растворенного вещества, чем возможно в насыщенном растворе 11
Коэффициент растворимости показывает, какая макси мальная масса вещества может раствориться в 1000 мл ра створителя при данной температуре. Растворимость выражают в граммах на литр (г/л). По растворимости в воде вещества делят на 3 группы: 12
Способы выражения концентрации Концентрация – соотношение между количеством растворенного вещества и растворителя или количеством растворенного вещества и всего раствора Способы выражения концентрации растворов • Массовая доля ( ) – отношение массы растворенного вещества к массе раствора • Объемная доля ( ) – отношение объема растворенного вещества к объему раствора • Молярная доля (X) – отношение числа молей растворенного вещества к сумме числа молей всех компонентов раствора • Молярная концентрация (молярность) (См, моль/л) – число моль растворенного вещества в одном литре раствора • Нормальная концентрация или молярная концентрация эквивалента (нормальность) (Сн, моль экв/л) – число моль эквивалентов растворенного вещества, содержащихся в одном литре раствора 1 м р-р H 2 SO 4 = 2 н р-р H 2 SO 4 • Титр (СТ, мг/мл или г/мл) – масса растворенного вещества, содержащаяся в одном миллилитре раствора • Моляльность (Сm, моль/кг) – число моль растворенного вещества, приходящееся на 1 кг растворителя 13
Растворимость веществ. Факторы, влияющие на растворимость Растворимость веществ зависит: • от природы реагирующих веществ • от концентрации раствора • от температуры • присутствия других веществ в растворе • от давления (для газообразных веществ) 14
Растворимость веществ. Факторы, влияющие на растворимость Растворимость – количественная характеристика соотношения компонентов насыщенного раствора коэффициент растворимости вещества (Р) – наибольшая масса вещества, способная при данной температуре раствориться в 100 г растворителя Например, при 20°С в 100 г воды с образованием насыщенного раствора растворяется 36. 0 г Na. CI, значит Р(Na. CI) = 36 молярная растворимость вещества (S) – число молей вещества, способное при данной температуре раствориться в 1 л указанного растворителя с образованием насыщенного раствора Пример: S(Na. CI) = 6. 154 моль/л коэффициент поглощения газа – наибольший объем газа, который может раствориться в единице объема растворителя при данной температуре и парциальном давлении газа 1 атм. Так при 20°С коэффициенты поглощения водой азота и кислорода, молекулы которых неполярны, составляют соответственно 0. 016 и 0. 031 Для газов, молекулы которых полярны, коэффициент их поглощения водой значительно выше, например для HCI – 500, NH 3 – 1300 15
Растворимость твердых веществ в жидкостях • от природы реагирующих веществ • от температуры Для идеальных растворов справедливо уравнение Шредера N 1 – растворимость твердого вещества Hраствор. – энтальпия растворения 1 моль вещества в почти насыщенном растворе Процесс растворения 1. Плавление твердого вещества 2. Смешение жидкого вещества с идеальным раствором для идеального раствора так как то Идеальная растворимость твердого вещества увеличивается с температурой 16
Растворимость жидкостей в жидкостях • от природы реагирующих веществ • от температуры • от высокого давления Неограниченная растворимость – жидкости смешиваются в любых пропорциях Растворимость до известного предела – имеет место расслаивание Качественная зависимость: ПОДОБНОЕ РАСТВОРЯЕТСЯ В ПОДОБНОМ 17
Растворимость газов в жидкостях • Растворимость газов в жидкостях при повышении температуры УМЕНЬШАЕТСЯ • Растворимость газов в жидкостях зависит от давления под которым он находится над жидкостью Закон Генри при постоянной температуре растворимость газа в данной жидкости прямо пропорциональна давлению этого газа над раствором k – константы скорости p – давление газа над раствором c – концентрация Г – константа Генри Уильям Генри Закон пригоден лишь для идеальных растворов и невысоких давлений Закон Дальтона в случае растворения смеси газов в жидкости каждый из них растворяется пропорционально своему парциальному давлению Джон Дальтон 18
Закон распределения 1 2 c 1 – концентрация вещества 3 в жидкости 1 c 2 3 Соотношение концентраций при T=const есть величина постоянная • Не зависит от количества растворенного вещества в обеих жидкостях • Зависит от - природы растворителей - природы растворенного вещества - температуры 19
Законы Рауля Первый закон Рауля связывает давление насыщенного пара над раствором с его составом Парциальное давление насыщенного пара компонента раствора прямо пропорционально его мольной доле в растворе, причём коэффициент пропорциональности равен давлению насыщенного пара над чистым компонентом Франсуа Мари Рауль Для бинарного раствора, состоящего из компонентов А и В, где компонент А – растворитель, удобнее использовать другую формулировку: Относительное понижение парциального давления пара растворителя над раствором не зависит от природы растворённого вещества и равно его мольной доле в растворе 20
Законы Рауля Относительное понижение парциального давления пара растворителя над раствором не зависит от природы растворённого вещества и равно его мольной доле в растворе Франсуа Мари Рауль ∆Нраств. > 0 ∆V > 0 ∆Нраств. < 0 ∆V < 0 Причиной отклонений от закона Рауля является то обстоятельство, что однородные частицы взаимодействуют друг с другом иначе, чем разнородные (сильнее в случае положительных и слабее в случае отрицательных отклонений) 21
Законы Рауля Второй закон Рауля Понижение температуры замерзания раствора и повышение температуры его кипения прямо пропорционально моляльной концентрации раствора KЭ и Kкр – эбулиоскопическая и криоскопическая константы, характеризующие растворитель Франсуа Мари Рауль T не зависит от природы растворенного вещества, а определяется природой растворителя и моляльностью, т. е. числом молекул, растворенных в определенном количестве растворителя - Повышение температуры Эти свойства разбавленных растворов зависят кипения только от числа частиц растворенного - Понижение температуры вещества, но не от их природы замерзания Поэтому эти свойства назвали коллигативными (в том смысле, что они «зависят от количества» ) 22
Осмос Явление осмоса (по-гречески значит «толкать» ) представляет собой самопроизвольный переход чистого растворителя в раствор, отделенный от него полупроницаемой мембраной, т. е. перегородкой проницаемой для молекул растворителя, но не проницаемой для растворенного вещества Осмотическое давление П – давление, которое надо приложить к раствору для прекращения переноса растворителя Растворитель Одинаковы при равновесии Раствор транспорт жидкостей через клеточную мембрану 23
Растворы электролитов Электролиты – вещества, которые в растворе или в расплаве состоят полностью или частично из ионов Электролиты – проводники второго рода (с ионной проводимостью) Электролиты – НЕ ПОДЧИНЯЮТСЯ законам Рауля Сильные электролиты при растворении в воде практически полностью диссоциируют на ионы независимо от их концентрации в растворе, поэтому в уравнениях диссоциации сильных электролитов ставят знак равенства (=) К сильным электролитам относятся: - растворимые соли - многие неорганические кислоты: HNO 3, H 2 SO 4, HCl, HBr, HI - основания, образованные щелочными (Li. OH, Na. OH, KOH и т. д. ) и щелочно-земельными металлами (Ca(OH)2, Sr(OH)2, Ba(OH)2) Слабые электролиты в водных растворах лишь частично (обратимо) диссоциируют на ионы. Поэтому в уравнениях диссоциации слабых электролитов ставят знак обратимости (⇄) К слабым электролитам относятся: - почти все органические кислоты и вода - некоторые неорганические кислоты: H 2 S, H 3 PO 4, H 2 CO 3, HNO 2, H 2 Si. O 3 и др. ; - нерастворимые гидроксиды металлов: Mg(OH)2, Fe(OH)3, Zn(OH)2 и др. 24
Растворы электролитов Степень диссоциации – доля растворенного электролита, которая распалась на ионы В растворах сильных электролитов В растворах слабых электролитов Константа диссоциации в одном и том же растворителе при постоянной температуре – величина постоянная, свойственная данному электролиту Степень диссоциации – характеризует состояние электролита в растворе только данной концентрации и меняется с ее изменением Закон разбавления Оствальда – с разбавлением раствора его степень диссоциации увеличивается 25
Растворы электролитов Сильные электролиты Почти все соли, кроме Cd. Cl 2, Hg. Cl 2, Fe(CNS)3, Pb(CH 3 COO)2 Большинство минеральных кислот, гидроксиды щелочных и щелочно -земельных металлов Электролиты средней силы H 3 PO 4, H 2 C 2 O 4, Mg(OH)2 и пр. Слабые электролиты Почти все органические кислоты, некоторые минеральные, многие основания 26
Состояние сильных электролитов в растворе + - + + + - - + Ионная атмосфера Активная концентрация (активность) – учитывает все виды взаимодействия между ионами В растворах сильных электролитов в качестве стандартного принимают не чистое состояние данного вещества, а состояние раствора при полной диссоциации и при отсутствии осложняющего взаимодействия между его ионами 27
Водородный показатель Можно принять концентрацию недиссоциированных молекул воды постоянной Ионное произведение воды В чистой воде 28
Водородный показатель Ионное произведение воды моль/л - СРЕДА НЕЙТРАЛЬНАЯ моль/л - СРЕДА КИСЛАЯ моль/л - СРЕДА ОСНОВНАЯ - Водородный показатель 29
Водородный показатель Вещество Электролит в свинцовых аккумуляторах Желудочный сок Лимонный сок (5% р-р лимонной кислоты) Пищевой уксус Кока-кола Яблочный сок Пиво Кофе Шампунь Чай Кожа здорового человека Кислотный дождь Слюна Молоко Чистая вода Кровь Морская вода Мыло (жировое) для рук Отбеливатель (хлорная известь) Концентрированные растворы щелочей p. H <1. 0 -2. 0± 0, 3 2. 4 3. 0± 0. 3 3. 0 4. 5 5. 0 5. 5 < 5. 6 6. 8 -7. 4 6, 6 -6, 9 7. 0 7. 36 -7. 44 8. 0 9. 0 -10. 0 12. 5 >13 30
Водородный показатель Среда водных растворов Фенолфталеин Метилоранж Лакмус Кислая среда 9 Нейтральная среда 10 11 12 13 14 p. H 4% Na. OH 8 1% Na. OH 7 1% Na 2 CO 3 6 1% Na. HCO 3 5 вода кровь 4 молоко 3 пиво 0. 4% HCl 2 газировка 1 лимон 0 4% HCl Универсальный индикатор Основная среда 31
Скачать презентацию КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ СПБГЭТУ РАСТВОРЫ ВЕСЕННИЙ СЕМЕСТР 2016
Лекция_5_Растворы.ppt