Жидкие растворы

     Любой раствор состоит из растворителя и растворенного вещества. В случае растворов газов или твердых  веществ в жидкостях растворителем  обычно считается жидкость, а растворенным веществом – растворенный газ  или твердое вещество, независимо от их относительного количественного  содержания. Когда компоненты обладают ограниченной смешиваемостью, то растворителем  является тот, прибавление которого к раствору возможно в неограниченном количестве без нарушения гомогенности. Если компоненты обладают неограниченной растворимостью, то можно выделить два случая. При значительном различии содержания компонентов  растворителем  считается вещество, присутствующее в относительно большем количестве. Понятия растворитель и растворенное вещество теряют смысл, когда речь идет о смесях с примерно равными или близкими концентрациями компонентов.  В этом случае состав раствора может выражаться различными способами – как с помощью безразмерных единиц – долей или процентов, так и через размерные величины –  концентрации. На практике используют более десятка способов выражения концентрации. Вот некоторые из них:

1. Массовая доля растворенного вещества.

     Отношение массы растворенного вещества B к  массе растворителя.

     

 или 

2. Мольная доля растворенного вещества.

     Отношение количества растворенного вещества к суммарному количеству всех веществ, составляющих раствор, включая растворитель

     

 или 

     Мольная доля указывает на число молей  данного вещества в одном моле раствора. Сумма мольных долей  всех составных веществ равна  единице:

3. Объемная доля растворенного вещества:

           Отношение объема растворенного  вещества к сумме объемов вещества и растворителя.

     

 или   

     

4. Молярная  концентрация (или  молярность). 

           Определяется отношением числа молей растворенного вещества к объему раствора, выраженному в  литрах. Физический смысл молярной концентрации заключается в том, что она указывает на число  молей вещества содержащегося в 1 литре его раствора.

     

5. Нормальная  концентрация (или  нормальность).

           Определяется отношением числа эквивалентов растворенного  вещества B к объему раствора, выраженному  в литрах. Физический смысл нормальной концентрации заключается в том, что она указывает на число  эквивалентов растворенного вещества, содержащегося в 1 литре раствора.

     

 

     

6. Моляльная концентрация (или  моляльность).

           Определяется отношением числа молей растворенного вещества к массе растворителя. Физический смысл заключается в том, что  она показывает, сколько молей  вещества растворено в 1 кг (1000г) растворителя.

     

 

     Применение  того или иного способа выражения  концентрации зависит от решения  конкретных практических задач.

5. Растворимость. Зависимость  растворимости  от температуры.

      Растворимостью  называется  способность вещества растворяться в том или ином растворителе. Мерой растворимости вещества является его содержание в насыщенном растворе. Если в 100 г воды растворяется более 10 г вещества, то такое вещество называют хорошо растворимым. Если растворяется менее 1 г вещества – вещество мало растворимо. Наконец, вещество считают  практически нерастворимым, если в  раствор переходит менее 0,01 г  вещества. Абсолютно нерастворимых  веществ не бывает.

     Растворение большинства твердых веществ в жидкостях сопровождается обычно поглощением энергии. Это объясняется затратой значительного количества энергии на разрушение кристаллической решетки твердого вещества. В этом случае растворимость твердых веществ увеличивается с ростом температуры. Но если растворение сопровождается выделением энергии, то растворимость с ростом температуры понижается. Такое явление наблюдается при растворении в воде щелочей, солей лития, магния, алюминия.

      Теоретически  пока нельзя вычислить точно величину растворимости данного вещества в определенном растворителе. Сходство в химической природе двух веществ  увеличивает их взаимную растворимость. Многие жидкости проявляют способность  к неограниченной взаимной растворимости. Так бензол и толуол, вода и этиловый спирт могут смешиваться друг с другом в любых отношениях. Жидкости с ограниченной взаимной растворимостью образуют расслаивающиеся системы. По мере повышения температуры взаимная растворимость увеличивается, и  тогда жидкости полностью смешиваются, образуя однородную массу. Температура, при которой наступает смешивание, называется критической температурой смешения. Растворение газов в  воде представляет собой экзотермический  пресс. Поэтому растворимость газов  с повышением температуры уменьшается. Однако растворение газов в органических жидкостях сопровождается поглощением  теплоты. Это происходит от того энергия  межмолекулярного взаимодействия между  молекулами растворителя и растворимого вещества больше, чем энергия притяжения между молекулами газа и растворителя в растворе.

     На  практике растворимость вещества выражается величиной, называемой коэффициентом  растворимости. Коэффициент растворимости  показывает массу вещества, насыщаемую при данной температуре 100 граммов  растворителя. 

     Растворимость некоторых веществ в воде представлена в таблице 

     

6. Теплоты растворения  и разбавления.

     Изменение энтальпии при переходе твердого, жидкого или газообразного вещества в раствор называется теплотой или  энтальпией растворения. Эндотермические  реакции характеризуются положительным  изменением энтальпии, а экзотермические  – отрицательным. Энтальпией растворения  называют изменение энтальпии при  растворении 1 моль вещества в некотором  количестве чистого растворителя. Процесс  растворения в термохимии обычно выражают термохимическим уравнением, например процесс растворения a моль Pb(NO₃)₂ в b моль воды можно представить уравнением:

     

     Теплота растворения зависит от концентрации полученного раствора и от температуры.

     Особый  интерес представляют первая и полная теплоты растворения. Первой теплотой растворения называется изменение  энтальпии при растворении 1 моль вещества в бесконечно большом количестве растворителя. В результате этого  процесса образуется бесконечно разбавленный раствор. Полной теплотой растворения называется изменение энтальпии при растворении 1 моль вещества в таком количестве чистого растворителя, которой необходимо для образования насыщенного раствора.

           Тепловой эффект взаимодействия раствора данной концентрации с чистым растворителем называется энтальпией разведения или разбавления. Если раствор, содержащий 1 моль растворенного  вещества, разбавляется от данной концентрации до определенной конечной (не бесконечно малой) концентрации, то тепловой эффект тепловой эффект называется промежуточной  теплотой разбавления.

7. Давление  пара растворов. Состав пара растворов.

     Давление  насыщенного пара является весьма важным свойством растворов. С его величиной  непосредственно связаны многие свойства растворов. Допустим, что к  пару применимы законы идеальных  газов. Воспользуемся упрощенной схемой испарения. Растворяя большое количество какого-либо  вещества в данном растворителе, мы понижаем концентрацию молекул последнего в единице объема и уменьшаем  этим число молекул, вылетающих в  единицу времени из жидкой фазы в  газообразную. В результате равновесие между жидкостью и паром устанавливается  при меньшей концентрации раствора, т.е. при меньшем его  давлении. Следовательно, давление насыщенного  пара растворителя над раствором, должно быть всегда меньше, чем над чистым растворителем. При этом понижение  давления пара будет, тем больше чем  больше концентрация растворенного  вещества в растворе. Из этого вытекает закон Генри, который можно выразить уравнением:

     

, где

       

     p – парциальное давление

     k – константа Генри

     Закон Генри звучит так: Парциальное давление пара растворенного вещества пропорционально его концентрации в растворе.

     При N_A=1 парциальное давление пара p_A представляет собой давление насыщенного данного компонента в свободном состоянии . Следовательно k= и равенство принимает вид:

     

           Концентрация растворенного  вещества в растворе при выражении  ее в мольных долях этого вещества N_A связана с концентрацией растворителя как

     N_A+ N_B =1. Подставляя это выражение в закон Генри получим:

     

   Þ

     

     Разность ( ) называется понижением давления насыщенного пара, а отношение -относительным понижением давления насыщенного пара.

     Согласно  закону Рауля: Относительное  понижение давления насыщенного пара растворителя над  раствором равно  мольной доле вещества в растворе

           Если графически изобразить зависимость давления пара каждого вещества двухкомпонентной смеси от его мольной доли, поучиться  прямая линия. Пусть даны вещества А  и В. Обозначим их мольные доли N_A  и N_B. По закону Рауля имеем:

      p_A= * N_A,        p_B= * N_В

      где p⁰ есть давление пара чистого вещества. Это суть уравнения прямых, если на осях отложены давления пара и мольные доли.

     Для общего давления пара раствора  отсюда следует равенство: p= * N_A + * N_В

           Эта линейная зависимость  осложняется если между компонентами смеси действуют силы притяжения,  и она изображается не прямой, а  кривой линией

     Если  оба компонента раствора в чистом состоянии летучи, то пар будет содержать оба компонента. Однако относительное содержание компонентов в парах в общем случае будет отличаться от относительного содержания  их в жидкостях. Для простейших систем легко установить соотношение между составами раствора и пара, равновесного с ним. Только  b системе, компоненты которой обладают одинаковым давлением пара в чистом состоянии, состав пара над раствором равен составу раствора. В остальных же случаях состав пара отличен от состава раствора и тем в большей степени, чем больше различаются давления пара над чистыми компонентами. В простейших системах в парах всегда преобладает по сравнению с жидкостью тот из компонентов, который обладает большим давлением пара в чистом состоянии.