Розчинність і способи вираження кількісного складу розчинів

Лекція № 4 РОЗЧИНИ

1. Основи теорії розчинів

Розчин – гомогенна стійка система змінного складу, яка містить два або більше компоненти, між якими може відбуватися фізична та хімічна взаємодія.

Високу стійкість розчинів зумовлює відсутність поверхні поділу між розчинником і розчиненою речовиною, яка розподілена у системі у молекулярному або іонному стані (розміри молекул та іонів меньш 1 нм) Протягом тривалого часу розчини не розділяються на складові компоненти.

За розчинник вважають той компонент, агрегатний стан якого при розчиненні не змінюється і якого у розчині більше.

Класифікації розчинів

1. Залежно від агрегатного стану розчини бувають газоподібні (суміші газів, повітря), тверді (солі, сплави) та рідкі розчини.

2. За вмiстом розчиненої· речовини розчини подiляють на розведенi та концентровані. Розведеним вважають розчин, у якому вмiст розчиненої речовини не перевищуе 30 %, а у концентрованому − понад 30 %.

3. За здатнiстю речовини розчинятись за даних умов у данiй масi розчинника розчини бувають ненасиченими, насиченими, переси­ ченими. Якщо у даному обʼємі розчинника певна маса речовини ще може розчинитись, то такий розчин за даних умов є ненасиченим. Якщо подальше розчинення неможливе, то розчин буде насиченим.

Якщо речовини розчинено бiльше, нiж для утворення насиченого за даних умов розчину, то такий розчин є пересиченим. Таке буває, коли насичений при підвищеній температурі розчин повільно охолоджується. Ця система нестiйка, тому за найменшої змiни умов (потирания скляною паличкою об стiнки посуду, внесення маленького кристалу розчиненої речовини) надлишок речовини випадає в осад.

Добре розчинені речовини утворюють концентрованi, але ненасичені розчини й навпаки, малорозчинні сполуки утворюють розбавлені насичені розчини. Наприклад, за температури 60 °С розчин з масовою часткою натрiй нiтрату 50 % є ненасиченим, а за температури 40 °С дуже розбавлений розчин з масовою часткою гiпсу 0,2 % є насиченим.

Сучасна теорія розчинів об’єднує фізичну (процес розчинення розглядають як рівномірний розподіл частинок розчиненої речовини в усьому об‘ємі розчинника, розчинник вважають індиферентним середовищем; С. Арреніус, В. Оствальд, Я. Вант-Гофф) та хімічну теорії (розглядає процес розчинення як фізико-хімічну взаємодію між частинками з утворенням нестійких сполук; Д.І. Менделєєв, І.А.Каблуков, М.С.Курнаков).

Якщо молекули розчина полярні, то, насамперед, відбувається електростатична взаємодія. Найбільш полярний розчинник – вода. Полярними розчинниками є також кислоти, спирти, ефіри, кетони та ін. Згідно з положенням про те, що подібне розчиняється у подібному, в цих розчинниках добре розчиняются полярні сполуки. У неполярних розчинниках (бензолі, сульфур (ІІ) гідриді, хлороформі) добре розчиняются неполярні сполуки.

Розчини займають проміжне положення між механічними сумішами і хімічними сполуками. Для них, як і для механічних сумішей, характерні несталість складу в широких межах та можливість виявлення деяких властивостей окремих компонентів. Розчини, як і хімічні сполуки однорідні, а при їх утворенні спостерігаються теплові ефекти, зміна об’ємів, кольору та ін. Наприклад:

1. Тепловий ефект розчинення: H2SO4 (рід.) + 200 H2O (рід.) = H2SO4.200H2O (розч.) DH = –74,27 кДж.

Теплоти виділяється так багато, що вода закіпає і може виплеснутися з пробірки. Щоб запобігти цього треба кислоту доливати у воду, а не навпаки.

2.Зміна обʼєму при розчиненні:

При змішуванні 100 мл води з 100 мл етилового спирту утворюється 180 мл розчину, тобто об¢єм зменшується на 3,5 %. Це пояснюється утворенням водневих зв¢язків між молекулами спирта і води та внаслідок цього, зменшенням відстані між молекулами у розчині.

3.Зміна кольору при розчиненні:

Сіль CuSO4 – безбарвна речовина; при розчиненні її у воді утворюється блакитна сполука CuSO4 .5H2O – гідрат солі (у загальному випадку – сольват солі). Іноді гідрати настільки стійки, що їх можна виділити з розчина, тоді їх називають кристалогідратами (блакитні кристали CuSO4 .5H2O – це кристалогідрат цієї солі).

Розчинність і способи вираження кількісного складу розчинів

Розчинність різних речовин у тому самому розчиннику або будь-якої речовини в різних розчинниках може коливатись у досить широких межах. Згідно з рекомендаціями ІЮПАК кількісний склад розчину можна виразити концентрацією або долею. Концентрація – це співвідношення неоднотипних величин. Вона має певну розмірність моль/л, г/л та ін. Відношення однотипних величин називається часткою. Частка – безразмірна величина. Розглянемо декілька типів концентрацій і часток.

Позначимо індексом 1 розчинник, індексом 2 – розчинену речовину.

Частки

Масова частка розчиненої речовини − w(2) – це відношення маси m(2)до cумарної маси розчину Sm = m(1) + m(2). Масову частку звичайно виражають у частках одиниці, у відсотках (%, тобто на 100 г розчину), у промілє (одна тисячна частка, 1/10 відсотка; ‰), у мільйонних частках (1×10−6 від базової величини, позначається ppm, млн−1 ).

w(2) = m(2)/ Sm, w(2) = m(2)/ Sm×100%.

 

У промiле та ppm виражають склад розчинiв, що мiстять дуже мало розчиненої речовини, зокрема ферментiв гормонiв, вiтамiнiв, мiкроелементiв у тканинах органiзму або у лiкарських засобах. Наприклад, у 100 см3 (приблизно 100 г) сироватки кровi мiститься 80-140 мкг Феруму, тобто коицентрацiя його становить 80-140 ppm.

Мольна частка − χ(2) – це відношення кількості розчиненої речовини − ν(2)до сумарної кількості речовини всіх компонентів розчину Sν

χ(2) = ν(2)/ Sν.

Обʼємна чacткa − φ(2) − це вiдношення обʼєму розчиненої· речовини − V(2) до суми обʼємiв ycix компонентiв розчину:

φ(2) = V(2)/ SV.

Масові та мольні частки теж виражаються в %, промілє, ppm.

Оʼємна частка характеризує склад газових сумiшей. Наприклад, якщо 1 моль повiтря обʼємом 22,4 дм3 мiститъ 4,693 дм3 кисню, то обʼємна частка його становить:

φ(О2) = 4,693: 22,4 = 0,2095, або 20,95 %, 209,5 ‰, 209500 ppm.

Концентрації

Молярна концентрація (молярність, СМ) – це відношення кількості розчиненої речовини ν(2) до об’єму розчину V, розмірність – моль/л:

CM = ν(2)/ V.

Розчини з молярнiстю 1 і 0,1 моль/л називаються одномолярними, децимолярними, тощо. Скорочено записують так: 1M розчин NaOH, 0,1 M розчин HCl.

Молярна концентрація еквівалентів (нормальність, Сн) – це відношення кількості еквівалентів νекв(2) розчиненої речовини до обʼєму розчину V, розмірність моль екв/ л:

Cн = νекв(2)/V.

Наприклад, розчини, якi мiстять в 1 л 1 та 0,1 молів еквiвалента розчиненої речовини, називаються однонормальними (1 н.) децинормальними (0,1 н.) вiдповiдно.

Згiдно з законом еквiвалентiв речовини реагують без залишку, якщо

CнIVI = Cн2V2.

Це вiдношення використується в об’ємному аналiзi, тобто при визначеннi концентрацiї речовини вимiрюванням об’ємів реагуючих речовин.

Моляльна концентрація (моляльність, Сm) – це кількість розчиненої речовини ν(2) в одному 1 кг розчинника, розмірність моль/кг розчинника.

Сm = ν(2): = · моль/кг розчинника,

де m(2)i M(2) – маса і молярна маса розчиненої речовини г, г/моль; – маса розчинника, кг, 1000 – коефіцієнт перерахунку г у кг.

Титррозчиненої речовини − Т(2) − маса речовини в 1 см3 розчину

Т(2) = .

Одиниці вимірювання титру − г/см3 .