Химия как раздел естествознания Основные задачи современной химии (стр. 12 из 68)

2.2 Растворение и растворимость

Растворение кристалла в жидкости происходит за счет собственного колебательного движения молекул растворяемого вещества, а с другой стороны, вследствие силы притяжения молекул растворителя.

Перешедшие в раствор молекулы, ударяясь о поверхность кристалла, вновь притягиваются к нему и опять входят в состав кристалла. В некоторый момент скорость растворения становится равной скорости кристаллизации вещества. При этом устанавливается динамическое (подвижное) равновесие: в единицу времени растворяется и кристаллизуется одинаковое количество молекул растворенного вещества. Такой раствор называется насыщенным.

Растворимостью называется способность вещества растворяться в том или ином растворителе. Мерой растворимости служит содержание вещества в его насыщенном растворе. Чаще всего растворимость выражают в граммах растворенного вещества на 100 г растворителя при данной температуре. Эта величина называется коэффициентом растворимости. Если в 100 г воды растворяется более 10 г вещества, последнее называется хорошо растворимым соединением; если менее 1 г – малорастворимым; а если в раствор переходит менее 0,01 г вещества, его называют практически нерастворимым. При растворении твердого тела растворение прекращается, когда образуется насыщенный раствор, то есть когда между молекулами растворяемого вещества (соли) в кристалле и ионами его в растворе установится равновесие:

СаSO₄ ↔ Ca²⁺ + SO₄^2-;

Константой равновесия^[7] данного процесса называется соотношение:

K

(2.1)

[CaSO₄]

Знаменатель дроби – концентрация твердой соли – представляет собой постоянную величину, которую можно ввести в константу равновесия и обозначить ПР. Тогда получаем:

[Ca²⁺] [SO₄^2-] = ПР;

Таким образом, в насыщенном растворе электролита произведение концентраций его ионов есть величина постоянная. Эта величина характеризует способность электролита растворяться и называется его произведением растворимости (ПР). Численное значение ПР легко найти, зная растворимость электролита. Например, растворимость сульфата кальция СаSO₄при 20⁰С равна Р = 1,5∙10^-2моль/л. Это значит, что в растворе концентрация каждого иона (кальция и сульфат - иона) также равна 1,5∙10^-2 моль/л. Следовательно, ПР этой соли равно (1,5∙10^-2)² = 2,25∙10^-4. Если электролит содержит два или несколько одинаковых ионов, их концентрации при вычислении ПР должны быть возведены в соответствующую степень. Например, для йодистого свинца PbI₂ ПР = [Pb²⁺]∙[J^-]², а для фосфорнокислого серебра Ag₃PO₄ПР = [Ag]³∙[PO₄]. В общем случае, когда

ПР = [K^m+]ⁿ ∙[A^n-]ⁿ , где К – катион, а А – анион, растворимость иона рассчитывается из соотношения:

P

(2.2)

Где Р – растворимость, ПР – произведение растворимости, а m и n – количество катионов и анионов в молекуле соли соответственно. Чем меньше растворима соль, тем меньшее значение имеет ее произведение растворимости. В тот момент, когда произведение концентраций ионов данного трудно растворимого соединения достигает величины его произведения растворимости при данной температуре, раствор становится насыщенным, и при дальнейшем увеличении концентрации ионов происходит выпадение осадка, то есть:

Если ПР < [K^m+]ⁿ ∙[A^n-]ⁿ , происходит выпадение осадка Если ПР = [K^m+]ⁿ ∙[A^n-]ⁿ , раствор и осадок находятся в равновесии Если ПР > [K^m+]ⁿ ∙[A^n-]ⁿ, происходит растворение осадка

Чем меньше значение ПР, тем быстрее данное трудно растворимое вещество выпадает в осадок. Из двух малорастворимых соединений в первую очередь будет осаждаться то, ПР которого меньше.

В большинстве случаев на практике используют ненасыщенные растворы; при этом растворы с относительно высоким содержанием растворенного вещества называют концентрированными, а с низким – разбавленными.

2.3 Способы выражения концентрации растворов

Состав раствора (содержание в нем растворенного вещества) может выражаться различными способами, как при помощи безразмерных единиц (долей или процентов), так и через размерные величины – концентрации. В химической практике применяют следующие способы выражения концентрации растворов:

Массовая доля, или процентная концентрация^[8] – отношение (обычно выраженное в процентах) массы растворенного вещества к массе раствора.

m₁ 100

(2.3) m₂

Где ω – массовая доля, m₁ – масса растворѐнного вещества, а m₂ – масса раствора. Например, 15% по массе водный раствор хлорида натрия – это такой раствор, который содержит в 100 г (или других единицах массы) 15 г (или других единиц массы) хлорида натрия и 85 г (или других единиц массы) воды.

Молярная доля, или мольная доля – отношение количества молей растворенного вещества или растворителя к сумме молей всех составляющих раствор веществ. Для бинарной системы растворитель - растворенное вещество мольная доля растворенного вещества (N₂) равна N₂ = n₂/(n₁ + n₂), а мольная доля растворителя (N₁) равна N₁ = n₁/(n₁ + n₂), где N - мольная доля, n₁ – число молей растворителя, n₂ – число молей растворѐнного вещества.

Например, 100 г 36% раствора глюкозы (С₆H₁₂O₆) содержит 36 г глюкозы и 64 г воды. Определяем количество молей глюкозы n₂ и воды n₁:

n₂ = 36/180 = 0,20 моль; n₁ = 64/18 = 3,56 моль. Отсюда,

N₂ = n₂/(n₁ + n₂) = 0,20/(0,20+3,56) = 0,053; N₁ = n₁/(n₁ + n₂) = 3,56/(0,20+5,56) = 0,947.

Сумма молярных долей всех компонентов раствора всегда равна единице.

Молярная концентрация вещества (М), - это отношение количества молей растворенного вещества к объему раствора, выраженному в

литрах, или

M

(2.4)

M_molV

где m – масса растворенного вещества в г; М_mol – его молярная масса в г/моль, а V – объем раствора в литрах.

Другими словами, молярная концентрация - это количество молей растворенного вещества в одном литре раствора. Так, раствор серной кислоты с молярной концентрацией 2М содержит 2 моль серной кислоты (или 2∙98 г) в одном литре раствора, то есть молярная концентрация его равна 2 моль/л.

Моляльная концентрация, или моляльность (m) – это отношение количество молей растворенного вещества к массе растворителя.

m

M (2.5)

M molm2

где m₁– масса растворенного вещества; М_mol – его молярная масса, а m₂ – масса растворителя, кг.

Например, водный раствор серной кислоты с моляльной концентрацией 2m содержит 2 моль (или 2∙98 г) серной кислоты на 1 кг растворителя (воды), то есть моляльность раствора равна 2моль/кг (H₂O). В отличие от молярности, моляльность не изменяется с изменением температуры.

Молярная концентрация эквивалента (эквивалентная концентрация, или нормальная концентрация, или нормальность), обозначаемая буквами N или н - это отношение количества эквивалентов растворенного вещества к объему раствора в литрах

m

N (2.6)

ЭV

где m – масса растворѐнного вещества в г; Э – моль-эквивалент растворѐнного вещества моль, а V – объѐм раствора в л.

Другими словами, нормальность – это количество моль-эквивалентов растворенного вещества в одном литре раствора. Например, раствор серной кислоты с концентрацией 2н содержит 2 эквивалента серной кислоты в одном литра раствора, то есть нормальность раствора равна 2г-экв/л. Зная, что эквивалент серной кислоты равен ее молекулярной (молярной) массе, деленной на основность кислоты, можно рассчитать молярность однонормального раствора (0,5 моль/л) и массу кислоты в 1 л раствора (49 г/л).

В соответствии с рекомендациями Международного союза по теоретической и прикладной химии (ИЮПАК), молярной концентрацией раствора ныне называется количество молей растворѐнного вещества в 1 килограмме растворителя, то есть такая концентрация, которая раньше называлась моляльной. Употребление таких терминов, как моляльная концентрация, моляльность, нормальная концентрация и нормальность ИЮПАК не рекомендует. Тем не менее, на практике гораздо удобнее готовить объѐмные растворы, которые не требуется взвешивать. Так, растворы нормальной концентрации широко применяются в титримерическом анализе, где необходимо точно знать объемы растворов полностью прореагировавших веществ. Поскольку все вещества реагируют пропорционально их эквивалентам, то для растворов справедливо соотношение: