Реферат: Растворы и растворимость

--PAGE_BREAK--Растворение как физико-химический процесс
 

Растворы образуются при взаимодействии растворителя и растворённого вещества. Процесс взаимодействия растворителя и растворённого вещества называется сольватацией (если растворителем является вода — гидратацией).

 

Растворение протекает с образованием различных по форме и прочности продуктов — гидратов. При этом участвуют силы как физической, так и химической природы. Процесс растворения вследствие такого рода взаимодействий компонентов сопровождается различными тепловыми явлениями.

 

Энергетической характеристикой растворения является теплота образования раствора, рассматриваемая как алгебраическая сумма тепловых эффектов всех эндо- и экзотермических стадий процесса. Наиболее значительными среди них являются:

– поглощающие тепло процессы — разрушение кристаллической решётки, разрывы химических связей в молекулах;

– выделяющие тепло процессы — образование продуктов взаимодействия растворённого вещества с растворителем (гидраты) и др.

 

Если энергия разрушения кристаллической решетки меньше энергии гидратации растворённого вещества, то растворение идёт с выделением теплоты (наблюдается разогревание). Так, растворение NaOH– экзотермический процесс: на разрушение кристаллической решётки тратится 884 кДж/моль, а при образовании гидратированных ионов Na+и OH-выделяется соответственно 422 и 510кДж/моль.

 

Если энергия кристаллической решётки больше энергии гидратации, то растворение протекает с поглощением теплоты (при приготовлении водного раствора NH4NO3наблюдается понижение температуры).

 
Растворимость
 

     Мы говорим: «сахар растворяется в воде хорошо» или «мел плохо растворяется в воде». Но можно и количественно оценить способность того или иного вещества к растворению или, другими словами, растворимость вещества.

Растворимостью – называется  способность вещества растворяться в том или ином растворителе. Мерой растворимости вещества при данных условиях является его содержание в насыщенном растворе.

Если в 100 г воды растворяется более 10 г вещества, то такое вещество называют хорошорастворимым. Если растворяется менее 1 г вещества – вещество малорастворимо. Наконец, вещество считают практически нерастворимым, если в раствор переходит менее 0,01 г вещества. Абсолютно нерастворимых веществ не бывает. 

Растворимость, выраженная при помощи массы вещества, которое может раствориться в 100 г воды при данной температуре, называют также коэффициентом растворимости.

В качестве примера приведем растворимость (в граммах вещества на 100 г воды при комнатной температуре) нескольких веществ: твердых, жидких и газообразных, среди которых многие имеют похожие химические формулы  (таблица 7-2).

Таблица 7- 2. Растворимость некоторых веществ в воде при комнатной температуре, растворимость большинства (но не всех!) твердых веществ с увеличением температуры увеличивается, а растворимость газов, наоборот, уменьшается. Это связано прежде всего с тем, что молекулы газов при тепловом движении способны покидать раствор гораздо легче, чем молекулы твердых веществ.

**Если измерять растворимость веществ при разных температурах, то обнаружится, что одни вещества заметно меняют свою растворимость в зависимости от температуры, другие – не очень сильно (см. табл. 7-3).


Название вещества

Формула

Агрегатное состояние

Растворимость (г/100 г воды)

Серная кислота

H2SO4

жидкость

любое количество

Хлористый водород

HCl

газ

71,9

Хлорид натрия

NaCl

кристал.

35,9

Сульфат меди

CuSO4 5H2O

кристал.

20,7

Сульфат кальция

CaSO4

кристал.

0,2

Тетрахлорид углерода

CCl4

жидкость

0,08

Сульфат бария

BaSO4

кристал.

0,00023

Хлорид серебра

AgCl

кристал.

0,00015


Если полученные в опытах значения нанести на оси координат, то получаются так называемые кривые растворимости различных веществ (рис. 7-3). Эти кривые имеют практическое значение. По ним легко узнать, сколько вещества (например, KNO3) выпадет в осадок при охлаждении до 20 С насыщенного раствора, приготовленного при 80 С.

.Вещество

Температура, °C

 



20

50

80

100

KBr

53,5

65,2

80,8

94,6

103,3

NaCl

35,7

35,9

36,8

38,1

39,4

CaSO4

0,176

0,206

0,180

0,102

0,066


Таблица 7-3. Влияние температуры на растворимость некоторых твердых веществ. В таблице приведена растворимость в г/100 г воды
<img width=«345» height=«204» src=«ref-1_628051325-14234.coolpic» v:shapes="_x0000_i1025">
Рис. 7-3. Кривые растворимости твердых (а) и газообразных (б) веществ.

С помощью таких операций очищают вещества. Дело в том, что при охлаждении ненасыщенного раствора образуется насыщенный раствор, но насыщенный по основному веществу, которого больше всего, а не по примесям. Поэтому при охлаждении в осадок выпадает только чистое вещество, а примеси (вместе с частью вещества) остаются в растворе.

Чистые кристаллы отфильтровывают от охлажденного, загрязненного примесями раствора. Этот способ очистки называется ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ. Так очищают, например, многие лекарственные препараты.
     Предельная растворимость многих веществ в воде (или в других растворителях) представляет собой постоянную величину, соответствующую концентрации насыщенного раствора при данной температуре. Она является качественной характеристикой растворимости и приводится в справочниках в граммах на 100 г растворителя (при определённых условиях).

 

Растворимость зависит от природы растворяемого вещества и растворителя, температуры и давления.

 

Природа растворяемого вещества. Кристаллические вещества подразделяются на:

 
    продолжение
--PAGE_BREAK--P— хорошо растворимые (более 1,0 г на 100 г воды);
M— малорастворимые (0,1 г — 1,0 г на 100 г воды);

Н— нерастворимые (менее 0,1 г на 100 г воды).

(Смотри таблицу растворимости)

 

Природа растворителя. При образовании раствора связи между частицами каждого из компонентов заменяются связями между частицами разных компонентов. Чтобы новые связи могли образоваться, компоненты раствора должны иметь однотипные связи, т.е. быть одной природы. Поэтому ионные вещества растворяются в полярных растворителях и плохо в неполярных, а молекулярные вещества — наоборот.

 

Влияние температуры. Если растворение вещества является экзотермическим процессом, то с повышением температуры его растворимость уменьшается (Например,Ca(OH)2в воде) и наоборот. Для большинства солей характерно увеличение растворимости при нагревании.

Практически все газы растворяются с выделением тепла. Растворимость газов в жидкостях с повышением температуры уменьшается, а с понижением увеличивается.

<img border=«0» width=«184» height=«216» src=«ref-1_628065559-13682.coolpic» v:shapes="_x0000_i1026">

Влияние давления. С повышением давления растворимость газов в жидкостях увеличивается, а с понижением уменьшается.
                                         КОНЦЕНТРАЦИЯ РАСТВОРОВ
 
Способы выражения концентрации растворов
 

Существуют различные способы выражения состава раствора. Наиболее часто используют массовую долю растворённого вещества, молярную и нормальную концентрацию.

 

Массовая доля растворённого веществаw(B)— это безразмерная величина, равная отношению массы растворённого вещества к общей массе раствора m:

 

w(B)= m(B) / m

 

Молярная концентрацияC(B)показывает, сколько моль растворённого вещества содержится в 1 литре раствора.

                                        C(B) = n(B) / V = m(B) / (M(B) • V),

 

 где М(B)  — молярная масса растворенного вещества г/моль.

 

Концентрацию раствора можно выразить количеством молей растворённого вещества в 1000 г растворителя. Такое выражение концентрации называют моляльностью раствора.

 

Нормальностьраствора обозначает число грамм-эквивалентов данного вещества в одном литре раствора или число миллиграмм-эквивалентов в одном миллилитре раствора.

Грамм — эквивалентом вещества называется количество граммов вещества, численно равное его эквиваленту. Для сложных веществ — это количество вещества, соответствующее прямо или косвенно при химических превращениях 1 грамму водорода или 8 граммам кислорода.


Эоснования = Моснования / число замещаемых в реакции гидроксильных групп
Экислоты = Мкислоты / число замещаемых в реакции атомов водорода
Эсоли = Мсоли / произведение числа катионов на его заряд



Величины нормальности обозначают буквой «Н». Например, децинормальный раствор серной кислоты обозначают «0,1 Н раствор H2SO4». Так как нормальность может быть определена только для данной реакции, то в разных реакциях величина нормальности одного и того же раствора может оказаться неодинаковой. Так, одномолярный раствор H2SO4будет однонормальным, когда он предназначается для реакции со щёлочью с образованием гидросульфата NaHSO4, и двухнормальным в реакции с образованием Na2SO4.

 

 
Пересчет концентраций растворов из одних единиц в другие
 

При пересчете процентной концентрации в молярную и наоборот, необходимо помнить, что процентная концентрация рассчитывается на определенную массу раствора, а молярная и нормальная — на объем, поэтому для пересчета необходимо знать плотность раствора. Если мы обозначим: с— процентная концентрация; M— молярная концентрация; N— нормальная концентрация; э— эквивалентная масса, — плотность раствора; m— мольная масса, то формулы для пересчета из процентной концентрации будут следующими:

 

M = (c • p • 10) / m

N = (c • p • 10) / э

 

Этими же формулами можно воспользоваться, если нужно пересчитать нормальную или молярную концентрацию на процентную.

 

Иногда в лабораторной практике приходится пересчитывать молярную концентрацию в нормальную и наоборот. Если эквивалентная масса вещества равна мольной массе (Например, для HCl, KCl, KOH), то нормальная концентрация равна молярной концентрации. Так, 1 н. раствор соляной кислоты будет одновременно 1 Mраствором. Однако для большинства соединений эквивалентная масса не равна мольной и, следовательно, нормальная концентрация растворов этих веществ не равна молярной концентрации.

Для пересчета из одной концентрации в другую можно использовать формулы:

 

M = (N • Э) / m

N = (M • m) / Э

 

 


                              Растворимость твердых веществ     продолжение
--PAGE_BREAK--


Растворимость веществ, являющихся твердыми при температуре растворения, выражена через массовый коэффициент растворимости k (в граммах безводного вещества на 100 г воды). Как правило, растворимость приведена в холодной (20 °С) и горячей воде (80 С), иная температура указана верхним индексом, причем значок * отвечает интервалу комнатной температуры (18-25° С). Прочерк отвечает полному разложению вещества водой. Многоточие означает отсутствие данных.

Вещество

k
, 20°

k
, 80°

Вещество

k
, 20°

k
, 80°

AgF

172

216

KNO2

306,7

376

AgNO3

227,9

635,3

KNO3

31,6

168,8

AlCl3

45,9

48,6

KOH

112,4

162,5

Al2(SO4)3

36,4

73,1

K3PO4

98,5

178,560

B(OH)3

4,87

23,54

K2SO3

107,0

111,5

BaCl2

36,2

52,2

K2SO4

11,1

21,4

Ba(OH)2

3,89

101,4

K2S2O6(O2)

4,7

11,040

BaS

7,86

49,91

LiCl

84,525

112,3

BeCl2

72,8

77,030

LiOH

12,8

15,3

BeSO4

39,1

67,2

Li2SO4

34,7

31,975

CaCN2

2,5025

—

MgCl2

54,8

65,8

CaCl2

74,5

147,0

MgSO4

35,1

54,8

Ca(ClO)2

33,325

—

MnCl2

73,9

112,7

Ca(NO3)2

129,3

358,7

MnSO4

62,9

45,6

CdCl2

113,4

140,4

(NH4)2CO3

10015

—

CdSO4

76,4

67,2

NH4Cl

37,2

65,6

CrCl3

34,925

—

N2H5Cl

17925

…

Cr2(SO4)3

6425

…

NH4F

82,6

117,6

CsCl

186,5

250

NH4HCO3

21,7

—

CsOH

385,615

30330

NH4HS

128,10

—

CuCl2

72,7

96,1

NH4NCS

170

431

CuSO4

20,5

55,5

NH4NO3

192,0

580,0

FeCl2

68

90,7

(NH3OH)Cl

83

194

FeCl3

91,9

—

(NH4)2SO4

75,4

94,1

Fe(NH4)2(SO4)2

26,4

5270

Na2B4O7

2,5

24,3

FeSO4

26,6

43,7

Na2CO3

21,8

45,1

Fe2(SO4)3

440*

—

NaCl

35,.9

38,1

H2C2O4

9,52

84,5

NaClO

53,4

129,950

H2(PHO3)

69430

…

NaClO2

64

12260

H3PO4

548

…

NaClO3

95,9

203,9100

H2SeO4

566,6

275350

NaClO4

21125

30075

H6TeO6

50,0530

106,4

NaHCO3

9,59

20,2

HgCl

6,59

24,2

NaH2PO4

85,2

207,3

K[Ag(CN)2]

25

100

Na2HPO4

7,660

92,4

KAl(SO4)2

5,9

71,0

NaHSO4

28,6

50100

K[Au(CN)2]

14*

200

NaNO2

82,9

135,5

KBr

65,2

94,6

NaNO3

87,6

149

KBrO3

6,87

34,28

NaOH

108,7

314

KCN

69,9

99,8

Na(PH2O2)

8325

554100

K2CO3

111,0

139,2

Na2(PHO3)

4190

…

KCl

34,4

51,1

Na3PO4

14,525

68,0

KClO3

7,3

37,6

Na2S

18,6

49,2

K2CrO4

63,0

75,1

Na2SO3

26,1

29,0

K2Cr2O7

12,48

73,01

Na2SO4

19,2

43,3

KCr(SO4)2

12,5125

…

Na2(SO3S)

70,1

229

KF

94,93

150,1

NiCl2

64,0

86,275

K3[Fe(CN)6]

46,0

81,8

NiSO4

38,4

66,7

K4[Fe(CN)6]

28,0

67,0

Pb(NO3)2

52,2

107,4

KHCO3

33,3

68,370

RbCl

91,1

127,2

K(HF2)

39,2

114

RbOH

17915

28247

KH2PO4

22,6

70,4

SnCl2

269,815

—

K2HPO4

159,8

267,563

SnSO4

18,819

—

KI

144,5

190,7

SrCl2

53,1

93,1

KIO3

8,1

24,8

TlNO3

9,55

111

KMnO4

6,36

2565

TlOH

34,318

126,190

KCN

69,9

99,8

ZnCl2

367

549

KNCS

217

40867

ZnSO4

54,1

67,2

    продолжение
--PAGE_BREAK--