Методические указания к выполнению контрольных работ для студентов заочной формы обучения специальностей (стр. 2 из 14)

В дальнейшем, для разбавленных растворов будет использоваться, в основном, молярность, а не моляльность, поскольку для разбавленных растворов эти величины достаточно близки друг к другу.

Свойства растворов

Все растворы обладают некоторыми свойствами, которые практически зависят только от соотношения числа частиц компонентов раствора и не зависят от природы частиц. Общие свойства раствора – это свойства идеального раствора.

Идеальным называется раствор, образованный компонентами, имеющими строго одинаковые размеры частиц и строго одинаковую энергию межмолекулярного взаимодействия.

Основными законами, описывающими свойства растворов, являются: закон Генри, законы Рауля (1-й, 2-ой, 3-ий), осмотический закон Вант-Гоффа. Следует отметить, что эти законы выполняются только для разбавленных растворов.

Все растворы независимо от агрегатного состояния обладают способностью к диффузии. Диффузией называется свойство вещества равномерно распределяться по всему предоставленному ему объему. Скорость диффузии (скорость выравнивания концентрации по объему) в газах велика, в твердых телах при обычных температурах диффузия длится годы. В растворах диффузия протекает за десятки часов, для небольших порядка литра объемов раствора.

Если в сосуд налить концентрированный раствор, а сверху добавить чистый растворитель, то начнется процесс диффузии, как растворителя, так и растворенного вещества до полного выравнивания концентрации по всему объему.

Можно создать условия, когда диффузия идет только по растворителю. Для этого разделим раствор и чистый растворитель пленкой, через которую могут проходить только молекулы растворителя. Такие пленки называются полупроницаемыми мембранами.

Процесс односторонней диффузии растворителя через полупроницаемую мембрану называется осмосом.

При односторонней диффузии растворителя в раствор, объем последнего начинает увеличиваться, что влечет за собой увеличение гидростатического давления, которое препятствует диффузии растворителя. При некотором давлении наступает равновесие: сколько молекул растворителя проникло в раствор, столько же выталкивается из него увеличившимся давлением.

Равновесное давление раствора, препятствующее диффузии растворителя через полупроницаемую мембрану, называется осмотическим давлением.

Осмотический закон Вант-Гоффа.

Вант-Гофф показал, что для разбавленных растворов независимо от природы растворителя и растворенного вещества математическое выражение для осмотического давления имеет вид:

Р_осм = CRT 1.4

где: Р_осм – осмотическое давление, С – молярная концентрация раствора, Т – абсолютная температура, R – универсальная газовая постоянная. При этом, если концентрация имеет размерность М/л, то осмотическое давление получается в КПа.

Осмотический закон Вант-Гофф сформулировал так:

Осмотическое давление разбавленных идеальных растворов численно равно тому давлению, которое оказывало бы растворенное вещества, если бы при данной температуре оно занимало объем раствора и находилось в газообразном состоянии. Схема осмоса приведена на рис.1.

Рис.1 Схема осмоса через полупроницаемую мембрану. 1 – полупроницаемая мембрана, 2 – растворитель, 3 – раствор. а – начальное состояние системы, б – конечное.

Закон Генри.

Этот закон определяет растворимость летучих веществ (газов) и формулируется: при данной температуре концентрация растворенного газа пропорциональна его парциальному давлению. Математическое выражение этого закона имеет вид:

1.5

где: С_Г – концентрация газа в растворе, Р_Г его парциальное давление, к – константа Генри, зависящая от природы растворителя и газа.

Следствия из закона Генри:

1. Объем растворенного газа не зависит от давления. Действительно, пусть в каком-то объеме растворителя (V_р-тель) при температуре Т и давлении Р растворилось n молей газа. Объем растворившегося газа V_Г равен

. Из закона Генри следует, что , но , откуда и . При постоянной температуре V_з-тель =const, а значит n/P=const и V_Г =const·RT не зависит от давления. Поэтому растворимость газа в жидкостях характеризуют отношением объема газа к объему растворителя – обычно числом миллилитров газа, растворяющихся в 1 л растворителя.

2. при растворении смеси газов растворимость каждого из них пропорциональна его парциальному давлению в газовой фазе.

Эти следствия справедливы лишь для разбавленных растворов, а также, если газ или смесь газов находятся при сравнительно низком давлении и подчиняется законам идеального газа.

1-й закон Рауля.

Общим для всех жидких растворов свойством является понижение давления насыщенного пара компонентов по сравнению с соответствующими характеристиками чистых веществ. Количественно связь между концентрацией летучего вещества в идеальном растворе и давлением его пара над раствором выражается законом Рауля:

При постоянной температуре давление насыщенного пара компонента идеального раствора пропорционально его мольной доле в растворе.

Математическое выражение этого закона имеет вид:

1.6

где: P_i – парциальное давление летучего компонента над раствором,

- давление насыщенного пара чистого компонента, - мольная доля компонента.

В случае, когда растворяется нелетучее вещество, то математическое выражение закона Рауля можно представить в виде:

1.7

где: Р⁰ и Р – давление пара растворителя над чистым растворителем и раствором, соответственно;

- мольная доля растворенного вещества (см. рис.2).

2-ой и 3-ий законы Рауля

Понижение давления пара растворителя над раствором приводит к изменениям температур кипения и кристаллизации растворов. Отметим, что любая жидкость кипит тогда и только тогда, когда давление ее паров равняется внешнему. Любая жидкость кристаллизуется тогда и только тогда, когда давление ее паров равно давлению над твердой фазой.

Рассмотрим эти изменения на примере системы, состоящей из нелетучего растворенного вещества и растворителя, в которой не происходит образования твердых растворов при кристаллизации. Например, раствор сахара или NaCl в воде.

Вид диаграммы состояния такого рода систем в координатах Р, Т приведен на рис.2. на этой диаграмме различия между линиями 2 и 4, 3 и 5 утрированно велики.

Вблизи тройной точки (А на рис.2) диаграмма состояния любой системы, приведенная на рис.2, представляется тремя пересекающимися линиями: 1 – линия равновесия твердое – газ, 2 – линия равновесия жидкость – газ, 3 – линия

Рис.2 Р-Т диаграммы для растворителя и раствора.

равновесия жидкость – твердое. На этом же рисунке приведены линии соответствующих равновесий для раствора: 4 – линия равновесия жидкость – газ, 5 – линия равновесия жидкость – твердое. Поскольку в системе отсутствуют твердые растворы, то линия равновесия твердое – газ для раствор совпадает с таковой для чистого растворителя. Так как

и не зависит от температуры, то при увеличении Р⁰ увеличивается и ΔР, поэтому линии 2 и 4 с ростом температуры расходятся.

Линия 4 пересекает линию 1 при такой температуре, которая обязательно лежит ниже тройной точки А, следовательно, температура кристаллизации растворителя из раствора (линия 5) всегда ниже, чем для чистого растворителя.

При повышении температуры давление пара растворителя над раствором растет и, когда оно достигнет внешнего давления, раствор кипит. Поскольку давление пара растворителя над раствором всегда ниже, чем для чистого растворителя, то равенство давлений пара и внешнего будет достигнуто при более высокой, чем для чистого растворителя, температуре. Следовательно, температура кипения раствора всегда выше, чем для чистого растворителя.

2-й закон Рауля рассматривает из изменения температуры кипения раствора относительно чистого растворителя, математическое выражение его имеет вид:

1.8

где:

, - температуры кипения раствора и растворителя, соответственно, Е – эбулиоскопическая постоянная (для воды Е=0,52), m – моляльная концентрация раствора.