Основные понятия о растворах

В лаборатории чаще всего приходится готовить рас­творы твердых веществ, поэтому остановимся более под­робно именно на них.

Если взять одинаковые объемы воды и попробовать растворять в них разные соли, например сернокислый барий, квасцы и хлористый кальций, то сразу бросится в глаза, что сернокислый барий совсем не переходит в раствор*, квасцы растворяются лучше, а хлористый каль­ций — очень хорошо. Кроме того, можно заметить, что после прибавления к воде некоторого определенного количества соли она уже больше не растворяется, сколь­ко бы ее ни перемешивали.

Таким образом, количество твердого вещества, кото­рое можно растворить в данном количестве воды, имеет предел, зависящий от свойств взятых веществ и от тех условий, в которых происходит растворение. Когда этот предел достигнут, получается насыщенный раствор. Кон­центрация насыщенного раствора называется раствори­мостью.

Следовательно, насыщение раствора каким-либо ве­ществом зависит от его растворимости в данном раство­рителе при данных условиях. Таким образом, совершен­но не обязательно, чтобы концентрация насыщенного раствора была бы высокой. Например, растворимость сернокислого кальция (CaS0₄) составляет при комнат­ной температуре 0,77 г/л. При таком содержании соли раствор будет уже насыщенным.

* Точное исследование показывает, что сернокислый барий растворяется в воде, но в малой степени.

24—117

Во многих случаях растворимость твердого вещества можно повысить, если раствор нагревать. Однако некото­рые соли не подчиняются этому Правилу. Растворимость их или понижается с повышением температуры или по­вышается только до определенной температуры, выше ко­торой растворимость уменьшается. Если растворять угле­кислый натрий, то количество его (пересчитанное на без­водную соль, т. е. на Na₂C0₃), приходящееся на 100 г воды в насыщенных растворах при разных температурах, будет следующее:

Температура, °С . . . . 10 20 30 31,9 35,2 40 50 60
Углекислый натрий, г . 12,6 21,4 40,8 46,0 51,0 49,7 47,5 46,5

Следовательно, самое большое количество безводного углекислого натрия можно растворить только при 35,2 "С.

Если же взять углекислый литий, то у него раство­римость с повышением температуры понижается. Напри­мер, при 100 °С он почти в два раза меньше растворим, нежели при 20 ^СС. Зависимость растворимости от темпе­ратуры следует принципу Ле-Шателье. Если растворимое вещество при растворении поглощает тепло, что бывает в большинстве случаев, то растворимость увеличивается с повышением температуры. Если же растворение сопро­вождается выделением тепла, то растворимость при под­ведении тепла уменьшается.

Каждой температуре соответствует определенная рас­творимость данного вещества. Если охладить насыщенный раствор вещества, растворимость которого с температурой повышается, то растворенное вещество выпадает в осадок в таком количестве, что раствор остается насыщенным при той температуре, до которой он охлажден. Однако в некоторых случаях при медленном охлаждении растворен­ное вещество не выделяется. Тогда говорят, что раствор пересыщен. Но это очень неустойчивое состояние раство­ра; достаточно какому-нибудь кристаллику или пылинке попасть в раствор, чтобы избыток соли выпал в осадок.

Плотность раствора отличается от плотности раство­рителя.

Раствор кипит при более высокой температуре*, чем растворитель. Последним свойством пользуются, приме-

няя солевые бани. Температура замерзания раствора, на­оборот, ниже, чем у растворителя.

Скорость растворения твердого вещества зависит от размера его частиц. Чем крупнее куски, тем медленнее идет растворение; наоборот, чем мельче отдельные части­цы твердого вещества, тем скорее переходит оно в раствор» Поэтому перед растворением твердого вещества его всегда следует измельчить в ступке и отвешивать для растворе­ния только измельченное вещество. Сказанное не отно­сится к гигроскопичным веществам, так как последние в измельченном виде очень легко поглощают влагу из воздуха вследствие большого увеличения поверхности. Поэтому гигроскопичные вещества растворяют, не измель­чая, разве только быстро разбив большие куски.

Растворение тонко измельченного вещества значитель­но легче, но при этом возникают свои трудности. Дело в том, что некоторые порошки при высыпании их в воду или при приливании к ним воды вначале не смачиваются и плавают на поверхности воды, образуя тонкую пленку. В подобных случаях порошок вначале обливают неболь­шим количеством чистого спирта (метилового или этило­вого), а уже затем приливают воду или высыпают в нее порошок. Явление всплывайия порошка при этом не наб­людается. Само собой разумеется, что применять спирт можно лишь в том случае, если он не оказывает химиче­ского действия на вещество или на его раствор. Спирта следует брать очень немного, лишь бы он только смочил порошок.

Иногда при растворении твердых веществ, например кристаллических, их помещают в колбу. При неправиль-' ном введении таких веществ (особенно крупных кусков или кристаллов) случается, что колба разбивается. Чтобы ие разбить колбу, поступают так, наклоняют ее под углом не больше 45°: лучше же меньше, и опускают твердое вещество так, чтобы оно скатывалось по горлу и стенке шара колбы. Удобнее сначала налить в колбу часть рас­считанного количества растворителя, например воды, а затем вводить твердое вещество, как описано выше, иногда встряхивая колбу. Оставшуюся часть растворите­ля вводят после того, как будет пересыпано все количе­ство твердого вещества, предназначенного для растворе­ния.

* Если насыщенный пар над раствором не содержит другого вещества, кроме растворителя.

24*

Большие трудности Встречаются прр растворении смо­листых веществ, так как их размельчить в порошок нель­зя. Такие вещества полезно разрезатьчесли это возможно) на небольшие куски и постепенно вводить в растворитель.

Следует остановиться на растврримости газов. Почти все газообразные вещества способны в той или иной мере растворяться в воде или органических растворителях. Некоторые из них, например NH_ft, HC1, жадно поглоща­ются водой. Другие же газы (кислород, водород и др.) обладают меньшей или незначительной растворимостью в воде, причем она зависит от температуры воды и внеш­него давления. Чем выше парциальное давление газа, тем больше он растворяется в воде, и чем выше темпера­тура воды, тем меньше растворимость газов. Поэтому воду для удаления растворенных в ней газов кипятят.

Рассмотрим теперь кратко вопрос о взаимном раство­рении жидкостей. При этом различаются три случая:

1. Жидкости практически не растворяются одна в другой, например вода и масло; при смешивании их они всегда отделяются друг от друга.

2. Жидкости растворяются одна в другой только в определенных количествах. Например, если смешать воду и эфир, то после взбалтывания и отстаивания раствор разделится на два слоя. Верхний слой представляет рас­твор воды в эфире, нижний — раствор эфира в воде, при­чем при определенной температуре концентрации обоих насыщенных растворов всегда имеют определенные зна­чения. Так, при 20 °С в 100 объемах воды растворяется 8,11 объема эфира, а в 100 объемах эфира растворяется 2,93 объема воды.

3. Жидкости растворяются одна в другой в неограни­ченном количестве. Например, вода и спирт растворя­ются друг в друге в любом количестве. Так же ведут себя многие кислоты и вода.

При растворении жидкостей, как и при растворении твердых тел, наблюдается или выделение тепла, или его поглощение. Это явление используют при изготовлении охлаждающих смесей или для химического нагревания.

Нужно также отметить, что иногда при смешении жидкостей происходит уменьшение объема; если, напри­мер, взять 50 объемов воды и 50 объемов спирта, то полу­чится не 100 объемов смеси, а только 96,3 (так называе­мое явление контракции).

По свойствам вещества можно разделить на два класса: не набухающие при растворении и набухающие. К пер­вому классу относятся преимущественно вещества, имею­щие кристаллическое строение, а ко второму — высоко­молекулярные вещества, главным образом органические. При растворении последних в органических растворите­лях первой стадией процесса всегда будет набухание.

КЛАССИФИКАЦИЯ РАСТВОРОВ

По характеру взятого растворителя различают раство­ры водные и неводные. К последним принадлежат раство­ры в органических растворителях. Растворы большинства солей, щелочей и кислот готовятся главным образом вод­ные.

По точности выражения концентрации растворы делят на приблизительные, точные и эмпирические.

Следует также различать растворение твердых веще­ств, растворение жидкостей и растворение газов.

КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ

Концентрации растворов обычно выражают в массо­вых (весовых) и объемных (для жидкостей) процентах, в молях или грамм-эквивалентах, содержащихся в единице объема раствора, а также титром и моляльностью*.

Концентрации приблизительных растворов большей частью выражают в массовых процентах; точных — в мо­лях, в грамм-эквивалентах, содержащихся в 1 л раствора, или титром.

При выражении концентрации в массовых процентах указывают содержание растворенного вещества (в грам­мах) в 100 г раствора (но не в 100 мл раствора!).

Так, если говорят, например, что взят 10%-ный рас­твор поваренной соли NaCl, это значит, что в 100 г рас­твора (а не в 100 мл его) содержится 10 г поваренной соли и 90 г воды.

Когда дана концентрация раствора, выраженная в массовых процентах (например, 25%-ный раствор NaCl),

* Существует единица концентрации — м о л о н. Под этой концентрацией понимается число молей растворенного вещества в I кг раствора (моль/кг), условное обозначение — W. Об этом см. Gillespie R. J., SoIomonsC, J. Chem. Educ, 37, № 4, 202 (1960).

/

и хотят взять столько раствора, чтобы в нем содержалось
определенное количество растворенного вещества (на­
пример, 5 г NaCl), то нужно брать раствор по массе (т. е.
20 г). '

Покажем, что будет, если взять не 20 г раствора, а 20 мл. Плотность 25 %-ного раствора NaCl равна 1,203 г/мл. Поэтому взяв 20 мл такого раствора, мы возьмем 20-1,203=24,06 г его. В этом количестве раствора будет содержаться уже не 5 г NaCl, a

25-24,06

ИИ—=-6.01 г

Если известна плотность раствора, то, как указыва­лось выше, удобнее брать его по объему, а не по массе, причем для вычисления нужного объема можно пользо­ваться формулой, приведенной на стр. 233. Для нашего случая получаем объем, равный:

Сказанное относится преимущественно к концентри­рованным растворам; в случае же разбавленных (меньше 1 %) получающаяся ошибка незначительна и ею можно пренебречь.

Концентрация раствора, выраженная в молях, со­держащихся в 1 л раствора (но не в 1 л растворителя!) на­зывается молярностью. Раствор, содержащий в 1 л 1 моль растворенного вещества, называется одномо-лярным или просто молярным. Молем (грамм-молекулой) какого-либо вещества называют молекулярную массу (молекулярный вес) его, выраженную в граммах; 0,001 моль называют м и л л и м о л е м, этой величиной пользуются для выражения концентрации при некоторых исследованиях.

Пример.Моль серной кислоты равен 98,08 г, поэтому молярный раствор ее должен содержать это количество в 1 л раствора (но не в 1 л воды).

Если концентрация выражена числом грамм-эквива­лентов, содержащихся в 1 л раствора, то такое выраже­ние концентрации называется нормальностью. Раствор, содержащий в 1 л один грамм-эквивалент ве­щества, называется однонормальным или часто просто нормальным.

Грамм-эквивалентом вещества является такое количе­ство его, выраженное в граммах, которое в данной реак­ции соединяется, вытесняет или эквивалентно 1,008 а водорода (т. е. 1 г-атом). Грамм-эквивалент одного и того же вещества может иметь различную величину в зависи­мости от той химической реакции, в которой это вещество участвует.

Грамм-эквивалент £ в реакциях замещения вычисляют путем деления молекулярной массы на основность кисло­ты или полученной из нее соли, кислотность основания или при окислительно-восстановительных реакциях — на число переходящих электронов п:

М Е = —jT для реакции замещения и

М Е ■= — для окислительно-восстановительных реакций

где М — молекулярная масса;

Н — основность кислоты или кислотность основа­ния.

Ввиду того что нормальные растворы для большин­ства аналитических целей и работ слишком концентриро­ваны, обычно готовят более разбавленные растворы (по­лунормальные, децинормальные и т. д.). При записях нормальность обозначают русской буквой н. или латин­ской буквой ./V; перед буквенным обозначением ставят число, указывающее, какая часть грамм-эквивалента (или сколько грамм-эквивалентов) взята для приготовле­ния 1 л раствора. Так, полунормальный раствор обозна­чается 0,5 н., децинормальный 0,1 н. и т. д.

Титром называют содержание ве­щества в граммах в I мл раствора.

Выражая концентрацию раствора при помощи титра, указывают число граммов вещества, содержащихся в 1 мл раствора. Пусть, например, в 1 л раствора содержится 5,843 г серной кислоты; тогда титр раствора будет равен:

5,843 Т = ■ ₁₀₀₀ = 0,005843 г1мл

Моляльными называют растворы, приготовляе­мые растворением одного (или части) моля вещества в 1 кг растворителя. Например, для приготовления одномоляль-ного раствора NaCl растворяют 58,457 г этой соли в 1 га

воды, приведя массу воды в данных условиях к объему. Следует помнить, что при приготовлении моляльных рас­творов расчет ведут именно на 1 кг растворителя, а не раствора, как в случае молярных или нормальных рас­творов.

Объемные проценты для выражения кон­центрации применяют только при смешивании взаимно растворяющихся жидкостей.

Здесь указаны только основные, важнейшие приемы выражения концентраций. При специальных исследова­ниях могут применяться и другие единицы для выражения содержания вещества.