Тема. Розчини



Сторінка1/9
Дата конвертації06.06.2017
Розмір1.5 Mb.
ТипЛекція
  1   2   3   4   5   6   7   8   9
ЛЕКЦІЯ 1

Тема. Розчини

1.Загальні уявлення про дисперсні системи.

2.Поняття про розчини.

3.Физико-хімічна теорія розчинів.

4.Розчинність.

5.Способи виразу концентрації розчинів.

Загальні уявлення про дисперсні системи


Система, в якій одна з речовин у вигляді дуже дрібних частинок рівномірно розподілена в об'ємі іншоъ, називається дисперсною. При цьому розрізняють два поняття: дисперсна фаза та дисперсійне середовище. Дисперсна фаза – це диспергована речовина, тобто та частина дисперсної системи, яка рівномірно розподілена в об'ємі іншої. Середовище, в якому розподілена дисперсна фаза, називається дисперсійним середовищем. Розчин цукру у воді – це дисперсна система, в якій цукор є дисперсною фазою, а вода – дисперсійним середовищем.

За ступенем дисперсності, тобто залежно від лінійних розмірів частинок дисперсної фази, дисперсні системи ділять на грубодисперсні (мікрогетерогенні), в яких частинки мають розмір більше 1 мкм (1 мкм = 10-6 м), і тонкодісперсні (ультрамікрогетерогенні), в яких величина частинок дисперсної фази рівна 0,1 – 1 мкм.

До грубодисперсних систем належать суспензії і емульсії. Прикладом суспензії може бути система, яка утворюється при збовтуванні глини, крейди (CaCO3), а емульсії – молоко, в якому дисперсною фазою виступають крапельки жиру. Таким чином, суспензія – це система, в якій дисперсною фазою є тверда речовина, а дисперсійним середовищем – рідина. Емульсія – дисперсна система, яка складається з двох практично взаємно нерозчинних фаз, в яких і дисперсна фаза, і дисперсійне середовище – рідини. При відстоюванні емульсія розділяється (розшаровується) на складові частини: дисперсну фазу і дисперсійне середовище. Так, коли збовтати бензол з водою, то утворюється емульсія бензолу у воді. Проте через деякий час така емульсія розділяється з утворенням двох шарів: верхнього (бензолового) і нижнього (води). Для того, щоб запобігти розшаровуванню емульсій, тобто стабілізувати їх, в емульсії додають речовини – емульгатори, які надають емульсіям агрегатну стабільність.

Отже, суспензії та емульсії – це нестійкі системи, які розшаровуються під дією сил гравітації.

Тонкодісперсні (ультрагетерогенні) системи називаються колоїдними розчинами. Термін “колоїдний” походить від грецького слова “колла”, тобто клеєподібний. Оскільки розмір диспергованих частинок в колоїдних розчинах коливається в межах 1 – 100 нм, то їх можна побачити лише за допомогою ультрамикроскопа або електронного мікроскопа.

Поняття про розчини


Якщо речовина (дисперсна фаза) диспергована до розмірів молекул або іонів (менше ніж 1 нм), то утворюється гомогенна система – істинний розчин, або просто розчин. У розчинах між диспергованною речовиною і дисперсійним середовищем (розчинником) немає поверхні розділу і тому розчин є гомогенною системою. Відсутність поверхні розділу зумовлює також високу стійкість розчинів, чого неможна сказати про гетерогенні системи, в яких є поверхня розділу. Впродовж тривалого часу розчини не розділяються на складові компоненти.

Таким чином, розчингомогенна термодинамічно стійка система змінного складу, яка складається з двох або більшого числа компонентів.

Залежно від агрегатного стану розчиненої речовини і розчинника (дисперсійного середовища) розчини бувають газоподібні, тверді і рідкі.

Газоподібні розчини – це суміші газів.

Гомогенні тверді розчини можуть утворювати солі, метали або оксиди. Відомі тверді розчини двох типів: заміщення і вкорінення.



Тверді розчини заміщення утворюються при кристалізації рідких розчинів, якщо компоненти мають однотипні кристалічні грати, а частинки компонентів – близьких за розмірами. Наприклад, KCl і KBr, Ag і Au можуть утворювати тверді розчини, масові співвідношення між якими змінюються в широких межах (від 0 до 100%). Тверді розчини утворюють пари речовин: кремній і германій, золото і платина, K2SO4 і K2SeO4 та ін. Як правило, тверді розчини заміщення легко утворюють ізоморфні речовини.

Тверді розчини вкорінення утворюються в результаті закріплення іонів, атомів або молекул однієї речовини в пустотах між кристалами іншої речовини, наприклад, розчин вуглецю в залізі (сталь).

Рідкі розчини утворюються при розчиненні газоподібних, рідких або твердих речовин в рідкому дисперсійному середовищі (розчиннику). Цей тип розчинів, які належать до рідких однофазних систем, є найважливішими, оскільки більшість біологічних, геологічних і хімічних процесів відбувається за участю рідких розчинів. Велике значення мають розчини в будівництві, технології напівпровідників і в інших галузях науки, техніки і промисловості.

У рідких розчинах розчинником, як правило, є рідина, зокрема вода. Незалежно від вмісту розчиненої речовини розчинником вважають той компонент розчину, агрегатний стан якого не змінюється під час виготовлення розчину, тобто залишається рідким. Це насправді так, коли йдеться про розбавлені розчини. Висококонцентровані розчини, в яких переважає вміст розчиненої речовини, розглядають як розчини води в іншому компоненті. Це, наприклад, система метанол – вода із вмістом першого компонента 80 – 90%, сіль – вода, яка є розчином води у впорядкованих кристалічних гратах електроліту.

Найчастіше, якщо розчин утворюється при змішуванні систем газ-газ, рідина-рідина, тверда речовина-тверда речовина, то розчинником вважають компонент, кількість якого переважає.

Фізіко – хімічна теорія розчинів


Розчини як двох і більш компонентні системи, склад яких може змінюватися в достатньо широких межах, нагадують механічні суміші. Проте зміна складу розчинів ще не означає, що між компонентами розчинів немає хімічної взаємодії.

Фізична теорія розчинів, основоположниками якої були відомі фізикохіміки Я.Вант-Гофф і С.Арреніус, розглядає процес розчинення як простий розподіл (діспергування) однієї речовини у всьому об'ємі іншої, і таким чином, властивості розчинів повинні залежати тільки від концентрації розчиненої речовини. За фізичною теорією розчинник – це індіферентне середовище, в якому хаотично розподілені частинки розчиненої речовини.

Згідно хімічної теорії розчинів, розробленої Д.І.Менделєєвим, між компонентами розчину здійснюється хімічна взаємодія. Утворення і існування розчину неможливе без взаємодії між всіма частками, які його утворюють. Розчин є динамічною системою, між компонентами якої відбувається безперервний обмін.

Важливим положенням хімічної теорії розчинів є твердження про рівноцінність компонентів розчину: розчинника і розчиненої речовини.

У своїх працях Д.І.Менделєєв показав, що в розчині є сполуки, які утворюються завдяки взаємодії молекул розчиненої речовини і розчинника. Такі сполуки називаються сольватами (гідратами), а процес їх утворення в результаті взаємодії компонентів розчину – сольватацією (гідратацією). Термін “гідрати” і “гідратація” застосовують, коли розчинником є вода.

Існування сольватів (гідратів) в розчині підтверджується виділенням сполук з розчинів у вигляді кристалосольватів або крісталогідратів. Так, якщо розчинити у воді безводні солі, наприклад CuSO4, Na2SO4, Mg(ClO4)2, то потім з розчину вони виділяються у вигляді крісталогідраіов складу: CuSO45H2O, Na2SO410H2O, Mg(ClO4)26H2O. Подібним образом поводять себе більшість солей і деякі представники інших класів неорганічних сполук. З неводних розчинників також можна добути крісталосольвати. Наприклад, CaCl2 і Mg(ClO4)2 з метиловим спиртом утворюють сольвати CaCl26CH3OH і Mg(ClO4)26CH3OH.

Про утворення сольватів можна спостерігати за зовнішніми змінами, які відбуваються з розчинами, наприклад по зміні об'єму розчину при розчиненні (білий купрум(ІІ) сульфат CuSO4 утворює блакитні розчини, а синій безводний CoCl2 – рожеві розчини).

В результаті протікання процесів сольватації або гідратації розчинення речовин в розчинниках супроводжується певним енергетичним ефектом. Зміна ентальпії при розчиненні одного моля речовини називається ентальпією розчинення цієї речовини в даному розчиннику. Тепловий ефект розчинення (екзо- або ендотермічний) залежить від двох величин: енергії кристалічних граток речовини і енергії взаємодії розчиненої речовини з молекулами розчинника (ентельпія сольватації). Процес розчинення супроводжується спочатку руйнуванням граток речовини (витрачається енергія, яка дорівнює по величині енергії кристалічних граток речовини, але протилежна за знаком) і сольватацією. Якщо позначити енергію кристалічних граток Е, а ентальпію сольватації Н1, то теплота розчинення Н0 дорівнюватиме алгебраїчній сумі цих протилежних енергетичних ефектів:

Н0 = - Е + Н1.

З цього рівняння витікає, що розчинення відбувається з виділенням теплоти (екзоефект), якщо ентальпія сольватації більше енергії кристалічних граток, тобто Н1Е. При ЕН1 розчинення супроводжується поглинанням теплоти (ендоеффект). Прикладами ендотермічних процесів є розчинення KNO3, NH4NO3, NaCl, KCl, KNCS та ін. Навпаки, розчинення кислот H2SO4, HNO3, HCl і лугів NaOH, KOH відбувається з виділенням теплоти.

Таким чином, існування в розчинах і твердому стані сольватів (гідратів), а також теплові ефекти, що супроводжують процеси розчинення, свідчать про те, що розчини є проміжним станом між механічними сумішами і хімічним сполуками.

Сучасна теорія розчинів є об'єднанням фізичної і хімічної теорій розчинів, основи якої було закладено роботами російських учених, зокрема Каблуковим і Кистяковським.


Розчинність


Розчинність різних речовин в одному і тому ж розчиннику або якої небудь речовини в різних розчинниках може коливатися в досить широких межах. Кількісно розчинність визначають вмістом речовини (концентрацією) в насиченому розчині. Найчастіше розчинність (k) визначають числом одиниць маси безводної речовини, що насичує за певних умов 100 одиниць маси розчинника

.

Насичені розчини характеризуються динамічною рівновагою (при постійній температурі):

Нерозчинена речовина  Речовина в розчині.

У таких розчинах міститься максимальна при даній температурі кількість речовини.



Насиченим розчином називається такий розчин, який знаходиться в рівновазі з твердою фазою розчиненої речовини і містить максимально можливу за даних умов кількість цієї речовини.

Якщо розчин містить менше розчиненої речовини, чим необхідно для насичення, то такий розчин називається ненасиченим. У ненасичених розчинах межа насичення не досягнута, але, змінюючи, наприклад, температуру розчину, можна її досягти.

Деякі речовини можуть утворювати так звані пересичені розчини, які при певній температурі містять більше розчиненої речовини, чим це обумовлено межею розчинення. Проте на відміну від насичених розчинів, які є термодинамічно стабільними системами, пересичені розчини – метастабільні (нестійкі) системи. Вони утворюються при повільному і обережному охолодженні насичених розчинів деяких речовин. Тому при внесення в такий розчин затравки у вигляді кристала тієї ж самої речовини, яка утворює пересичений розчин, або іншої речовини з подібною кристалічною формою, в осад випадає (кристалізується) надлишок цієї речовини, а розчин стає насиченим (стабільним), в ньому встановлюється рівновага:

Осад  розчинена речовина (розчин)

Пересичені розчини утворюють такі солі, як сульфат і тіосульфат натрію Na2SO4 і Na2S2O3.

Розчинність газів в рідинах залежить від тиску і температури. Крім того, необхідно враховувати хімічну природу газу і можливість утворення хімічних сполук при взаємодії газу з розчинником. За однакових умов (температурі і тиску) розчинності у воді азоту і аміаку неоднакові. Насправді, аміак енергійно взаємодіє з водою, утворюючи амоній гідроксид:

NH3 + H2O = NH4OH,

тоді як молекулярний азот не утворює з водою ніяких сполук. От чому при кімнатній температурі в одному об'ємі води розчиняється всього 0,02 об'єми азоту і приблизно 700 об'ємів аміаку.

Залежність розчинності газу від тиску виражається законом Генрі-Дальтона: розчинність газу при постійній температурі в рідині прямо пропорційна його парціальному тиску.

m = kp,

де m – маса газу, який розчиняється в 1 л розчинника; р – тиск газу (або парціальний тиск у разі суміші газів); k – коефіцієнт, який характеризує природу компонентів розчину.

Розчинність газів при постійному тиску зменшується із зростанням температури. Кип'ятінням розчину можна практично повністю позбавитися розчинених в рідині газів.

Розчинність різних твердих речовин в одному і тому ж розчиннику може змінюватися в широких межах. При підвищенні температури розчинність більшості твердих речовин збільшується, проте для деяких сполук вона може зменшуватися. Зменшення розчинності з підвищенням температури характерне для речовин, розчинення яких супроводжується виділенням теплоти. Це, наприклад, Ca(OH)2, гіпс CaSO42H2O. В деяких випадках зменшення розчинності обумовлене зміною характеру твердої фази, яка насичує розчин. Наприклад, Na2SO410H2O при температурі 32,4С зневоднюється і розчинність безводого Na2SO4 зменшується при підвищенні температури.

Існують таблиці розчинності твердих речовин. На підставі таблиць розчинності можна зробити висновки щодо доцільності очищення від домішок речовин перекристалізацією. Якщо розчинність солі різко змінюється з підвищенням температури (наприклад, розчинність KNO3 при 0С дорівнює 13,3 г солі на 100 г води, а при 100С – відповідно 246 г), то вихід солі після її перекристалізації досягає 80-90% від узятої для очистки цим методом кількості речовини.




Каталог: metodi -> ggf
metodi -> Методичні вказівки до виконання дипломних проектів (робіт) бакалаврів за напрямом 050403 інженерне матеріалознавство
metodi -> Методичні вказівки з підготовки та оформлення
metodi -> Методичні рекомендації до проведення державних підсумкової та кваліфікаційної атестацій у птнз державна підсумкова атестація
ggf -> Спеціальність Гідрогеологія
ggf -> Екологічна свідомість тема Екологічна свідомість центральне поняття екологічної психології
ggf -> Контроль знань за змістовним модулем І „ Методологія глобалістики: обєкт І предмет досліджень ”
ggf -> Програма навчальної дисципліни. Дну, 200
ggf -> Дніпропетровський національний університет імені Олеся Гончара
ggf -> Гр. Ге-09м Основи наукової діяльності Тема Використання методів наукового пізнання
ggf -> Дніпропетровський національний університет імені Олеся Гончара


Поділіться з Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9




База даних захищена авторським правом ©uchika.in.ua 2020
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка