Растворы. способы выражения состава растворов

Система, состоящая из двух и более веществ, одно из которых распределено в виде очень мелких частиц в другом, называется дисперсной системой. Распределенное вещество называется дисперсной фазой, а вещество, в котором распределена дисперсная фаза,- дисперсионной средой.

Дисперсионная среда и дисперсная фаза могут быть в различных агрегатных состояниях:

Дисперсионная среда	Дисперсная фаза	Пример системы
Газ	Жидкость Твердое тело Газ	Туман Дым, пыль Пена
Жидкость	Жидкость   Твердое тело	Эмульсия жира в воде (молоко) Суспензия глины в воде
Твердое тело	Жидкость Твердое тело Газ	Твердые эмульсии Сплавы Твердые пены

Свойства дисперсных систем в значительной мере зависят от степени размельчения дисперсной фазы. Различают грубодисперсные системы (взвеси) с размером частиц более 10^{-5 см и тонкодисперсные (коллоидные) с размерами частиц от 10-5} до 10^-7 см.

Грубодисперсные системы – суспензии, эмульсии – кинетически неустойчивы: они с течением времени разделяются на дисперсионную фазу и дисперсную среду. Частицы тонкодисперсных систем находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении. При дальнейшем дроблении вещества до молекул и ионов поверхность раздела исчезает, исчезает гетерогенность и появляется однофазная система – истинный раствор.

Истинные растворы (или просто растворы) – однородная система переменного состава, содержащая два и большее число компонентов.

Компонент- это такая составная часть системы, которая является химически однородным веществом, может быть выделена из системы и может существовать в изолированном состоянии в течение длительного времени.

Компонент, взятый в избытке и в том же агрегатном состоянии, что и сам раствор, принято считать растворителем, а компонент, взятый в недостатке, – растворенным веществом.

В зависимости от состава и природы растворенных веществ растворы классифицируются:

1) по агрегатному состоянию: жидкие, твердые, газообразные. Жидкие растворы-растворы-системы, состоящие из растворителя и одного или нескольких, растворенных веществ (газы, жидкости, твердые вещества). Например, раствор сульфата меди в воде, раствор хлороводорода в воде, раствор эфира в спирте. Примером твердых растворов могут служить сплавы металлов (латунь-сплав меди и цинка). Газообразные растворы-смеси газов, например воздух (примерный состав по объему: 21% кислорода, 78% азота и 1% других газов). Наиболее распространены жидкие растворы (водные и неводные). В водных растворах растворителем является вода, в неводных растворителем (сольвентом) являются другие жидкости (бензол, спирт и т.д.)

2) по содержанию растворенного вещества: разбавленные и концентрированные. Принято считать, что в концентрированном растворе массовая доля растворенного вещества больше 20-30%.

3) по степени насыщенности: насыщенные, ненасыщенные и пересыщенные растворы. Насыщенный раствор- раствор, находящийся в равновесии с растворяемым веществом. В насыщенном растворе концентрация вещества определяется его растворимостью при данных условиях. Растворы с меньшей концентрацией называются ненасыщенными. Раствор, содержащий вещества больше, чем это определяется его растворимостью при данных условиях, называется пересыщенным.

Растворение - сложный физико-химический процесс, в котором происходит взаимодействие молекул растворителя с частицами растворенного вещества. В результате этого взаимодействия образуются сольваты.

Сольваты – продукты переменного состава, которые образуются при химическом взаимодействии частиц растворенного вещества с молекулами растворителя. Если растворителем является вода, то образующиеся сольваты называются гидратами.

Процесс образования сольватов называется сольватацией, образования гидратов – гидратацией. Примером процесса гидратации может служить растворение кристаллического NaCl в воде с образованием гидратированных ионов.

NaCl_(к)+ aq ® {Na}⁺_aq + {Cl}^-_aq

При растворении сульфата меди (II) (CuSO₄) (вещества белого цвета) в воде происходит гидратация образующихся ионов, в результате чего раствор приобретает голубую окраску. При выпаривании раствора образуются кристаллогидраты сульфата меди (II), например CuSO₄^.5H₂O.

Кристаллические вещества, содержащие молекулы воды, называются кристаллогидратами, а вода, входящая в их состав, кристаллизационной водой.

Доказательством физико-химического характера процесса растворения являются тепловые эффекты. Тепловой эффект растворения равен сумме тепловых эффектов физического и химического процессов. Физический процесс протекает с поглощением теплоты, химический – с выделением. Если в результате гидратации (сольватации) выделяется теплоты больше, чем ее поглощается при разрушении структуры вещества (физический процесс), то растворение – экзотермический процесс (растворение KOH, H₂SO₄).

Если для разрушения структуры вещества необходимо больше теплоты, чем ее образуется при гидратации, то растворение – эндотермический процесс (растворение KCl, NaNO₃, K₂SO₄)

Количественный состав растворов выражается разными способами.

1.Массовая доля растворенного вещества w(Х) – безразмерная величина, равная отношению массы растворенного веществак массе раствора:

w(Х)= илиw(Х)= ^.100%,

где m(X) – масса вещества Х в растворе; m_(р-ра) – масса раствора.

Массовая доля выражается в процентах или долях единицы.

Например, форма записи «раствор NaOH с массовой долей w(NaOH) = 10%» означает, что 10 г NaOH содержится в 100 г раствора. Масса воды в нем равна 90 г.

2. Молярная концентрацияС(Х) – это концентрация, которая показывает число молей вещества, содержащегося в 1 л раствора. Например, форма записи C(H₂SO₄) = 2 моль/л или 2 М H₂SO₄ означает, что 2 моля H₂SO₄ содержится в 1 л раствора. Молярная концентрация рассчитывается как:

,

где С(Х) – молярная концентрация растворенного веществаХ, моль/л; n(X) – количество растворенного вещества Х, моль; V_р-ра – объем раствора, л; m(X) – масса растворенного вещества, г; М(Х) – молярная масса вещества, г/моль.

3. Молярная концентрация эквивалента (нормальная концентрация) – это концентрация, которая показывает количество вещества эквивалента, содержащегося в 1 л раствора. Например, форма записи 0,5 н. Са(ОН)₂, или моль/л, означает, что 0,5 моля эквивалента Са(ОН)₂ содержится в 1 л раствора. Эта концентрация рассчитывается как:

,

где – нормальная концентрация, моль/л; – количество вещества эквивалента, моль; V_р-ра – объем раствора, л; m(X) – масса растворенного вещества, г; – молярная масса эквивалента вещества, г/моль.

4. Моляльная концентрация b(X) – это концентрация, которая показывает число молей растворенного вещества в 1 кг растворителя и выражается в молях на килограмм. Форма записи 0,2 m NaCl означает, что 0,2 моля NaCl содержится в 1 кг растворителя (например, воды). Моляльная концентрация рассчитывается как:

,

где b(X) – моляльная концентрация раствора, моль/кг; n(Х) – число молей растворенного вещества, моль; m(растворителя) – масса растворителя, кг.

5. Молярная доля растворенного вещества x– отношение химического количества вещества Х к общему числу моль всех веществ в растворе.

,

где n(Х) – количество вещества Х в растворе, моль; n_i – количество вещества каждого компонента раствора, моль.

Молярная доля выражается в долях единицы или процентах.

Пример 1.Найти массовую долю (%), мольную долю, молярность, нормальность, моляльность MgSO₄ в растворе, 1000 г которого содержит 198г MgSO₄ (r_р-ра=1,215 г/мл).

Решение.

1.Находим массовую долю раствора:

w(MgSO₄)= или 19,8%

2.Мольная доля:

n(MgSO₄)= = =1,65 моль,

m(H₂O)=m_р-ра­-m(MgSO₄)=1000-198=0,802 кг.

n(H₂O)= = =44,56 моль;

X(MgSO₄)= = =0,0357;

3.Молярная концентрация:

V_р-ра= = =0,823 л;

С(MgSO₄)- = =2,0 моль/л.

4. Нормальная концентрация

C( MgSO₄)=z C(MgSO₄)=2 2,0=4,0 моль/л.,

5. Моляльная концентрация (растворитель вода, его масса в кг):

С_m(MgSO₄) = =2,06 моль/кг.

Пример 2. Вычислите молярную и нормальную концентрации серной кислоты в растворе с w(H₂SO₄) = 40%. Плотность раствора ρ_р‑ра = 1,303 г/см³.

Решение. Принимаем объем раствора за 1 л или 1000 мл.

Определяем массу 1 л раствора:

m_р-ра = 1000 ∙ 1,303 = 1303 г.

Находим массу H₂SO₄ в этом растворе:

г.

Рассчитываем молярную концентрацию раствора:

моль/л.

Определяем нормальную концентрацию раствора H₂SO₄. Фактор эквивалентности H₂SO₄ равен :

.

Молярная масса эквивалента H₂SO₄ составляет

.

Пример 3. Какой объем раствора фосфорной кислоты с w(H₃PO₄) = 85% (ρ_р-ра = 1,84 г/см³) требуется для приготовления 0,5 л 3 н. раствора H₃PO₄?

Решение. Вычисляем массу H₃PO₄ в 0,5 л раствора:

где M(H₃PO₄) = 98 г/моль; .

Определяем, какая масса раствора H₃PO₄ с w(H₃PO₄) = 85% содержит 49 г фосфорной кислоты:

Зная плотность раствора, находим его объем: