Способы выражения концентрации растворов

Общие положения теории растворов

Растворами называются термодинамически устойчивые гомогенные (однородные) системы, состоящие из двух или более компонентов. Компонентами растворовявляются растворитель и растворенные вещества. Растворителем является тот компонент, агрегатное состояние которого сохраняется при образовании раствора, либо тот компонент, которого в растворе больше.

Находящиеся в растворе частицы растворенного вещества могут иметь разный размер. В зависимости от размера растворенных частицрастворы делятся на истинные растворы и дисперсные гетерогенные (неоднородные) системы.

В истинных растворах растворенные вещества в виде отдельных молекул или ионов равномерно распределены по всему объему системы среди частиц растворителя. Размеры обычных молекул и ионов не превышают 1 нм (10^-9м), поэтому истинные растворы являются гомогенными на молекулярном уровне. Истинные растворы, образуясь при простом соприкосновении компонентов, устойчивы во времени, т.е. они не разделяются самопроизвольно на исходные компоненты.

В дисперсных гетерогенных системах растворенные частицы гораздо крупнее молекул. Такие системы состоят из сплошной непрерывной фазы растворителя – дисперсионной среды и находящихся в этой среде раздробленных частиц растворенного вещества – дисперсной фазы. В коллоидных растворах растворенные частицы могут иметь размеры в интервале 1-100 нм. Системы, включающие раздробленные частицы с диаметром более 100 нм, относятся к тонко и грубодисперсным гетерогенным системам. Обязательным условием получения дисперсных систем является взаимная нерастворимость дисперсионной среды и дисперсной фазы. Дисперсные гетерогенные системы термодинамически неустойчивы, в них самопроизвольно происходят процессы, приводящие к укрупнению частиц растворенного вещества. Поэтому с течением времени такие системы разделяются на исходные компоненты (расслаиваются, рассеиваются, высыхают).

Существуют газовые, жидкие и твердые растворы. Примером газового раствора является сжатый воздух – смесь газов O₂, N₂, CO₂ и др. Жидкие истинные растворы получаются при растворении в жидком растворителе, например воде, газов (CO₂), жидких (C₂H₅OH) или твердых веществ (NaCl). Примерами твердых растворов являются раствор газообразного водорода в твердой платине, амальгамы (раствор жидкой ртути в твердых металлах), гомогенные сплавы металлов. Наиболее распространены жидкие растворы, в которых растворителями являются вода, спирт, бензин, масло.

Подобно истинным растворам, коллоидные растворы, тонко и грубодисперсные гетерогенные системы могут находиться в различных агрегатных состояниях. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию представлена в приложении 1.

Современная теория рассматривает процесс растворения как совокупность физико-химических процессов, включающих:

- разрушение межмолекулярных связей между ионами, атомами или молекулами в растворяющемся веществе, что связано с затратой энергии (∆H₁>0);

- взаимодействие молекул или ионов растворенного вещества с молекулами растворителя с образованием непрочных соединений переменного состава (гидратов, сольватов), что сопровождается выделением энергии (∆H₂<0).

Общий энергетический эффект растворения зависит от соотношения выделяемой и поглощаемой энергии:

∆H_{растворения}=∆H₁ + ∆H₂.

Растворение большинства солей в воде протекает эндотермически, ∆H_{растворения} >0, тепло поглощается из окружающей среды и раствор охлаждается. Растворение газов, щелочей и кислот в воде представляет экзотермическийпроцесс - ∆H_{растворения} <0, тепло выделяется и температура раствора повышается.

Тепловой эффект растворения определяется для 1 моля растворенного вещества и называется молярной теплотой растворения.

Способы выражения концентрации растворов

В данной массе растворителя можно растворить разную массу растворяемого вещества. Важной характеристикой раствора является концентрация – содержание растворенного вещества в единице объема или массы раствора.

Введем обозначения:

- масса растворенного вещества;

- масса раствора;

- масса растворителя;

- объем раствора;

- молярная масса растворенного вещества.

Массовая доля(ее иногда называют процентной концентрацией) растворенного вещества( )- это масса растворенного вещества в граммах, содержащаяся в 100 г раствора. Единица измерения – проценты (%). Массовую долю растворенного вещества рассчитывают по формуле:

где , имеют одинаковые единицы измерения.

Молярная концентрация (молярность) - это число моль растворенного вещества, содержащееся в 1 л раствора. Единица измерения – моль/л. Молярную концентрацию рассчитывают по формуле:

где измеряется в граммах, - в литрах.

Моляльная концентрация (моляльность) - это число моль растворенного вещества, приходящееся на 1 кг растворителя. Единица измерения – моль/кг. Моляльную концентрацию рассчитывают по формуле:

где и измеряются в граммах.

Молярная и моляльная концентрации указывают на число частиц растворенного вещества в растворе, т.к. 1 моль любого вещества содержит число структурных единиц, равное числу Авогадро – 6,02 ∙10²³.

На практике пользуются и другими способами выражения концентрации растворов (Приложение 2).

Если концентрация раствора неизвестна, ее можно определить методом титрования (Приложение 3).

При проведении химических реакций широко используют растворы, а не чистые вещества. Расчеты по уравнениям химических реакций, протекающих с участием растворов, представлены в приложении 4.

Растворимость веществ

Растворимость – это способность газов, жидкостей, твердых веществ переходить в раствор. Растворимость зависит от природы растворяемого вещества и растворителя.

Растворимость может быть неограниченной и ограниченной. Неограниченная взаимная растворимость встречается только в таких системах, в которых растворитель и растворяемое вещество находятся в одинаковых фазах, например вода и этиловый спирт. Эти жидкости образуют раствор при смешивании в любых соотношениях. Если растворитель и растворяемое вещество находятся в разных фазах, то растворимость ограничена некоторым пределом.

Раствор, содержащий максимальное количество растворяемого вещества, которое может раствориться в данном количестве растворителя при данной температуре, называется насыщенным. Насыщенный раствор находится в динамическом равновесии с растворяемым веществом. Например, при растворении твердого вещества скорости процесса растворения и кристаллизации одинаковы.

Концентрацию насыщенного раствора характеризует коэффициент растворимости – масса вещества в граммах, образующего насыщенный раствор в 100 г растворителя при данной температуре.

Коэффициент растворимости различных веществ в воде изменяется в широких пределах. Если в 100 г воды растворяется более 10 г вещества, то такое вещество называют хорошо растворимым; если растворяется менее 1 г – малорастворимым, менее 0,01 г – нерастворимым. В таблице растворимости вещества обозначают соответственно Р, МР, НР.

По количеству растворенного вещества растворы делятся на концентрированные и разбавленные. Концентрированные растворы содержат большое количество растворенного вещества. Разбавленные растворы содержат значительно больше растворителя по сравнению с растворенным веществом.

Некоторые вещества способны образовывать пересыщенные растворы – метастабильные гомогенные системы, в которых концентрация растворенного вещества больше, чем в насыщенном при данной температуре растворе.