Задача N 69. Розрахувати мольну частку хлориду калію у водному розчині концентрацією 10 мас. % KCl. (відповідь – NKCl = 0,026).
Подібна задача. Які існують способи виразу концентрації (складу) двокомпонентних систем? Існує багато способів виразу концентрації, але відповідно до програми розглянемо тільки основні.
Масова концентрація показує, скільки грамів розчиненої речовини знаходиться в 100 г розчину. Часто її позначають мас.%. Оскільки в більшості випадків мають справу з водними розчинами, то частіше не указують, що розчинником є вода. А якщо розчинник не вода, а якийсь інший, то, як правило, указують і його назву. Наприклад, запис “розчин 10 мас.% NaCl” потрібно розуміти так, що в 100 г цього розчину міститься 10 г NaCl та 90 г H2O.
Мольна частка показує відношення кількості молів розчиненої речовини до сумарної кількості молів розчиненої речовини та молів розчинника в розчині. Позначається мольна частка літерою N. Якщо позначити літерою А розчинник, а В- розчинену речовину, то її мольна частка в розчині будеNB = nB/( nB + nA).Так наприклад, мольна частка хлориду натрію (NNaCl) у воді з 10 мас.% NaCl NNaCl = nNaCl/( nNaCl + nH2O) = (gNaCl/МNaCl)/(( gNaCl/МNaCl) + +(gH2O/МH2O)) = (10/58,5)/(( 10/58,5) + (90/18)) = 0,032. Корисним буде засвоїти, наприклад, щоNNaCl + NH2O = 1 або те, що в розчині на 32 моля хлориду натрію припадає 968 молів води, тобто на кожний з іонів хлору та натрію припадає 968/(32 ×2) 15 молекул води. Молярність показує кількість молів речовини в 1 літрі розчину, позначається часто літерою с. Наприклад, якщо написано:“розчин HCl, c = 0,1”, то це означає, що в 1 літрі такого розчину міститься 0,1 моля HCl або 36,5 ×0,1 = 3,65 г HCl. Також можна сказати, що в одному літрі такого водного розчину міститься наближено (6,02 ×1023) × 0,1 = 6,02 ×1022 іонів водню і така ж кількість іонів хлору. Нормальність показує, скільки г-екв. pечовини в 1 літрі розчину, позначається літерою н. Наприклад, якщо написано: “розчин H2SO4, н = 0,5”, то це означає, що 1 літр розчинумістить 0,5 г-еквівалента сірчаної кислоти або (98/2) ×0,5 = 24,5 г H2SO4. Також можна сказати, що в одному літрі такого розчину міститься наближено 3,1 ×1023 іонів водню, а молярність такого розчину с = 0,25.Моляльність показує, скільки молів речовини в 1 кг розчинника, позначається літерою m. Наприклад, одномоляльний розчин сірчаної кислоти (H2SO4, m = 1,0) складається з 98 г H2SO4 та 1000 г H2O.
Існує ще багато способів виразу концентрації (складу) розчинів, наприклад, масова частка, об’ємна частка та інші, які не важко зрозуміти, якщо засвоїти основні, що указані вище.
(відповідь – див. вище)
Задача N 70. Розрахувати мольну частку розчину, що складається з 15г сірчаної кислоти та 35 г води. (відповідь – NH2SO4 = 0,073)
Подібна задача. Див. задачу N69.
Задача N 71. Розрахуватинаближено, скільки атомів заліза припадає на один атом вуглецю в чавуні, що містить 2 мас.% С.
(відповідь – 10,5 атома заліза на 1 атом вуглецю)
Подібна задача. Розрахувати моляльність розчину сірки в залізі, якщо концентрація сірки в залізі виражається мас.% S = 1,0. Це означає, що в 100 г такого розчину міститься 1 г сірки та 99 г заліза, тоді за пропорцією легко знайти, що в 1000 г заліза-10,1 г сірки або 10,1/32,06 = 0,315 моля сірки. Отже моляльність розчину буде дорівнювати m = 0,315/1000 = 3,15×10-4 . (відповідь - m = 3,15 ×10-4 ).
Задача N 72. Розрахуватинормальність(н), молярність(с) та моляльність(m) водного розчину 10 мас.% H2SO4.
(відповідь – н = 2,175; с = 1,088; m = 1,134)
Задача N 73. Чи можна уважати, що гранично розбавлений розчин має властивості ідеального? (відповідь – тільки відносно розчинника, але не розчиненої речовини)
Подібна задача. Яка класифікація розчинів існує? Будь-які розчини поділяють на ідеальні, гранично розбавлені та реальні. Ідеальні розчини - це такі, які при утворенні (змішуванні компонентів) не нагріваються і не охолоджуються, а їх об’єм дорівнює сумі об’ємів компонентів, що узяті для готування розчину. Характерною ознакою ідеальних розчинів є лінійна зміна властивостей розчину зі зміною їх складу. Наприклад, якщо змішати дві повністю розчинні одна в другій рідини А та В, що утворюють ідеальний розчин, то залежність тиску насиченої пари над розчином від його складу буде мати прямолінійну залежність, як це показано на рисунку нижче
Р
РоА
Р Р
РоВ
А NA В
Така прямолінійна залежність тиску насиченої пари від складу розчину характерна для ідеальних розчинів. Величини РоА та РоВ - тиск насиченої пари над чистими компонентами А та В, відповідно. Тиск насиченої пари над розчином (РР), наприклад, складу NA(NA - мольна частка А), може бути розрахований за правилом адитивностіРР = РоА× NA + РоВ×NA. Це правило розрахунків властивостей розчину за властивостями окремих компонентів може бути використане тільки для ідеальних систем, але його часто використовують і для систем, які не дуже відхиляються від ідеальних. Гранично розбавлені розчини - це такі, в яких концентрація одного з компонентів двокомпонентної системи наближається до нуля. Такі розчини щодо розчинника практично є ідеальними, але відносно розчиненої речовини цього сказати не можна. Реальні розчини - це такі, утворення яких супроводжується тепловими ефектами і зміною об’єму.Реальні розчини - це системи, які найбільше зустрічаються в практиці. Для того, щоб пояснити суть процесів зміни ентальпії (DH) і об’єму (DV) в результаті утворення реальних розчинів, наведемо такий приклад. Якщо взяти 100 мл води та 100 мл сірчаної кислоти і їх змішати, то утвориться 180 мл розчину кислоти у воді. Це можна записати так DV = Vp – (Vв + Vк) = 180 – (100 + 100) = -20мл,деVp, Vвта Vк - об’єми розчину, води та кислоти, відповідно.У цьому випадку розчин займає менший об’єм, ніж об’єм його складових частин (DV < 0), але для реальних розчинів відомо багато і таких випадків, коли DV > 0. Добре відомо, що при змішуванні сірчаної кислоти з водою розчин дуже нагрівається, вилучається велика кількість теплоти в навколишнє середовище, процес екзотермічний (DH < 0), тому змішування здійснюють дуже обережно, щоб запобігти нещасному випадку. Багато також прикладів, коли процес утворення розчину протікає з поглинанням теплоти з навколишнього середовища (температура розчину внаслідок процесу утворення стає меншою, ніж температура компонентів до їх змішування, DH > 0). Якщоендотермічний процес розчинення однієї речовини в другій приводить до утворення розчину, то можна сказати, що процес протікає самодовільно і зміна ізобарного потенціалу в результаті утворення розчину менше нуля (DG < 0), утворення розчину протікає не завдяки ентальпійному, а за рахунок ентропійного фактора (DS > 0), тому що DG =DH - ТDS < 0. Вплив ентальпійного та ентропійного факторів на процеси, що протікають самодовільно, див. задачу N33.
Розглянемо тепер, який вигляд може мати діаграма тиск насиченої пари – склад системи для реальних розчинів на відміну від ідеальних.Для реальних розчинів залежність тиску насиченої пари від складу розчинів криволінійна, тобто спостерігаються додатні (+) або від’ємні (-) відхилення від прямолінійної залежності, яка характерна для ідеальних розчинів. Причому від’ємні відхилення супроводжуються стисканням систем (DV < 0) і вилученням теплоти (DH < 0, розчин нагрівається), а додатні - розширенням систем (DV > 0) і поглинанням теплоти (DH > 0, розчин охолоджується) з їх утворенням. Користуватися правилом адитивності для розрахунків властивостей реального
Р
РоА
+
-
РоВ
А В
розчину за властивостями його компонентів також потрібно обережно, тому що помилка обов’язково буде, а величина її буде тим меншою, чим менше даний розчин відхиляється від ідеального. Для того, щоб урахувати міру відхилення властивостей реальних розчинів від ідеальних, в теорії та практиці розрахунків властивостей розчинів часто використовується поняття активності (a). Активність зв’язана з концентрацією розчину (N)через коефіцієнт активності (g) рівняннямa=Ng.Активність - це ніби ефективно діюча концентрація (уявна), тобто така, яка кількісно зв’язана з властивостями розчину, а N – аналітична концентрація (реальна). Фактично коефіцієнт активності є мірою відхилення властивостей реального розчину від ідеального. У більшості випадків коефіцієнт активності коливається між нулем та одиницею (0 < g > 1), визначається експериментально і наводиться в довідниках для різних розчинів залежно від концентрації (наприклад, див. довідник стор. 130) .(відповідь – класифікують на ідеальні, гранично розбавлені та реальні розчини)