Материал: полезная метода

ТЕМА 2. КОНЦЕНТРАЦИЯ РАСТВОРОВ И СПОСОБЫ ЕЕ ВЫРАЖЕНИЯ

Вопросы к занятию

1.Что называется раствором?

2.Что называется концентрацией раствора?

3.Дайте определение следующим видам концентрации: массовая доля, молярная концентрация, молярная концентрация эквивалента, моляльная концентрация, титр.

4.Расчетные формулы, используемые для определения вышеназванных концентраций?

§1. Растворы, их классификация

Раство́—р гомогенная (однородная) смесь, образованная не менее чем двумя компонентами, один из которых называется растворителем, а другой растворимым веществом, это также система переменного состава, находящаяся в состоянии химического равновесия. Раствор — однофазная система переменного состава, состоящая из двух или более компонентов. Растворы — гомогенные (однородные) системы, то есть каждый из компонентов распределён в массе другого в виде молекул, атомов или ионов. Растворитель — компонент, агрегатное состояние которого не изменяется при образовании раствора. В случае же растворов, образующихся при смешении газа с газом, жидкости с жидкостью, твёрдого вещества с твёрдым, растворителем считается компонент, количество которого в растворе преобладает. Все остальные компоненты будут являться растворенными соединениями, хотя деление это условное.

Раствор может иметь любое агрегатное состояние. По агрегатному состоянию различают газообразные, жидкие и твердые растворы. Твёрдые растворы широко используются в технике (сталь – раствор углерода в железе) и встречаются в виде различных минералов (рубин – раствор оксида хрома (III) в корунде Al2O3). В минералогии твёрдые растворы называют изоморфными смесями. Примером газообразного раствора может служить воздух. Газообразные растворы обычно называют газовыми смесями. Однако, чаще всего термин «растворы» относится к жидким системам.

Относительное содержание компонента в растворе характеризуется его концентрацией. Растворы с большой концентрацией растворенного вещества называются концентрированными, с малой – разбавленными.

При определенных условиях (температуре, давлении) растворение одного компонента в другом ограничено. Поэтому различают ненасыщенные, насыщенные и пересыщенные растворы.

16

Раствор, находящийся в равновесии с твердой фазой, является

насыщенным.

Содержание вещества в насыщенном растворе называется растворимостью этого вещества. Обычно растворимость выражают массой растворенного вещества в 100 г воды при 200С. Величина растворимости характеризует равновесие между двумя фазами, поэтому на неё влияют все факторы, смещающие это равновесие (в соответствии с принципом Ле Шателье). По значению растворимости различают вещества: хорошо растворимые (KBr, NaCl), малорастворимые (CaSO4) и практически нерастворимые (PbS).

Раствор с концентрацией растворенного вещества меньше его растворимости называется ненасыщенным.

Если концентрация растворенного вещества превышает его растворимость, раствор называется пересыщенным. Пересыщенные растворы образуются при охлаждении или испарении растворителя, неустойчивы и при внесении затравки или перемешивании выделяют избыток компонента.

Классификация растворов может быть основана и на других признаках. В зависимости от природы растворителя различают водные и неводные растворы; в зависимости от рН среды – кислые, нейтральные и щелочные (основные) и т.д.

Растворение одного вещества в другом является сложным физикохимическим процессом, сопровождающимся изменением энтропии и энтальпии системы. Механизм образования растворов и их свойства объясняет Теория растворов. Исторически сложились две теории растворов – физическая и химическая.

Физическая теория растворов рассматривает процесс растворения как распределение частиц растворенного вещества между частицами растворителя без какого-либо взаимодействия между ними. Движущей силой такого процесса является увеличение энтропии системы. Тепловые эффекты и контракцию (уменьшение объема раствора) при растворении теория не объясняет.

Химическая теория, основоположником которой был Д.И.Менделеев, рассматривает процесс растворения как сложный физикохимический процесс разрушения связей в исходных веществах и образования новых связей между растворителем и растворяемым веществом. Это объясняет тепловые эффекты и изменение объема системы при растворении. Как и любой другой процесс, растворение самопроизвольно протекает при G < 0, т.е. когда энергия новых связей компенсирует разрыв старых. Современная термодинамика растворов основана на синтезе этих двух подходов.

Таким образом, растворы занимают промежуточное положение между физическими смесями и химическими соединениями. Как

17

физические смеси они имеют переменный состав, сохраняют свойства отдельных компонентов и возможность разделения их физическими методами. Сходство растворов с химическими соединениями проявляется в их однородности, тепловых эффектах при растворении, образовании гидратов (Н2SО4 Н2О), кристаллогидратов (CuSО4 5Н2О, Na2CO3 10H2O), в явлении контракции.

Рассмотрим процесс растворения твердого (кристаллического полярного) вещества в воде. Растворение вещества сопровождается как разрушением его кристаллической решетки (затрата энергии, ∆Нкр.>0), так и взаимодействием образующихся частиц с молекулами воды (процесс гидратации, выделение энергии, ∆Нгидр.<0). Если ∆Нкр.>∆Нгидр., то суммарная энтальпия процесса растворения ∆Нраств.>0, процесс эндотермический, раствор охлаждается. Так растворяются большинство веществ: КСl, NH4NО3 и пр. Если ∆Нкр.<∆Нгидр., то ∆Нраств.<0, процесс экзотермический, раствор нагревается. Так растворяются AlCl3, Nа2SО4 и пр. Иногда ∆Нраств.≈0 и температура раствора почти не меняется (так происходит в случае растворения NaCl). Растворение газов сопровождается только гидратацией, т.е. является экзотермическим

(∆Нраств.<0).

Растворы как равновесные системы подчиняются принципу ЛеШателье: при повышении температуры растворимость большинства твердых веществ (для которых ∆Нраств.>0) увеличивается, а растворимость газов понижается (для газов ∆Нраств.<0). Увеличить растворимость газов можно повышением давления.

При оценке возможности растворимости различных веществ в растворителях следует пользоваться эмпирическим правилом "подобное растворяется в подобном": полярные вещества (соли, гидроксиды, кислоты) хорошо растворяются в полярных растворителях (вода, спирт), а неполярные (парафин) в неполярных (бензин).

§2. Способы выражения состава раствора

Концентрация раствора – величина, измеряемая количеством растворенного вещества, содержащегося в определенной массе или объеме растворителя.

18

Решение.

Определим молярную массу и молярную массу эквивалента CuSO4: M(CuSO4) = 159,61 г/моль

M(1/2CuSO4) = 159,61/2 = 79,8 г/моль

В 100 г раствора с (CuSO4) = 10% содержится 10 г CuSO4 и 90 г Н2О. Следовательно, моляльность раствора CuSO4 равна

b(CuSO4) = 10/159,61.0,09 = 0,696 моль/кг

Молярная концентрация и молярная концентрация эквивалента относятся к 1 л раствора:

m = pV = 1,107 г/мл.1000 мл = 1107 г = 1,107 кг

В этой массе раствора содержится 1,107.0,1 = 0,1107 кг CuSO4, что составляет 110,7г/159,61 = 0,693моль и 110,7/79,8 = 1,386моль/л.

Молярная концентрация и молярная концентрация эквивалента данного раствора соответственно равны 0,693 и 1,386 моль/л.

2. Расчеты, связанные с приготовлением разбавленных растворов из концентрированных.

Какой объем раствора азотной кислоты с массовой долей HNO3 30% (р = 1,180 г/мл) требуется для приготовления 20 л 0,5м раствора этой кислоты?

Решение.

Определим массу азотной кислоты в 20 л 0,5М раствора: C(HNO3) = m/(M.V), M(HNO3) = 63,01 г/моль,

m = 0,5.63,01.20 = 630,12г

Чтобы ответить на вопрос задачи, надо определить, в каком объеме раствора с массовой долей HNO3 30% содержится 630,1 г HNO3:

V = m/p.w = 630,1 г / 0,3.1,18 г/мл = 1780 мл = 1,78 л

Следовательно, чтобы приготовить 20 л 0,5 M HNO3 надо израсходовать всего 1,78 л раствора азотной кислоты с массовой долей

HNO3 равной 30%.

3. Смешивание растворов разных концентраций.

Какую массу раствора с массовой долей КОН 20% надо прибавить к 250 г раствора с массовой долей КОН 90%, чтобы получить раствор с w(КОН) = 50%?

Решение.

Определяем массу КОН, находящуюся в 250 г 90% раствора: m(KOH) = w.m(р-ра КОН) = 0,9.250 г = 225 г

Определяем массу КОН, находящуюся в Х г 20% раствора КОН: m(KOH) = 0,2.X г

Масса полученного раствора будет (250 + Х) г, в нем содержится (225 + 0,2.Х) г КОН, что составляет 50% от массы раствора. Составляем

20