Общие свойства растворов

Дисперные системы
Смеси веществ по степени дисперсности (дисперсность — характеристика размеров частиц данного вещества) условно разделяют на грубодисперсные, или механические смеси (размер частиц 1000 нм), коллоидные растворы (размер частиц 1—100 нм) и истинные растворы, размер частиц которых определяется размером ионов, молекул, ионных пар и различных ассоциатов.

Виды дисперсных систем
Суспензия — взвесь частиц одного или нескольких твердых веществ в жидкой среде.
Эмульсия — взвесь капель одной или нескольких жидких веществ в жидкой среде другого состава.
Аэрозоли — взвесь жидких и твердых частиц в газообразной среде Частицы твердых веществ в аэрозолях часто несут определенный заряд: оснóвные веществ (Fe2O3, MgO, ZnO, Cr2O3 и др.) образуют отрицательно заряженную пыль, а кислотные (SiO2, C, S8, TiO2 и др.) — положительно заряженную.

Виды дисперсных систем
Коллоидные растворы (или золи) — микрогетерогенные, метастабильные системы с жидкой средой, содержащей очень мелкие частицы, участвующие в интенсивном броуновском движении. Поэтому они равномерно распределены по объему и очень медленно осаждаются (коагулируют). Золи кажутся однородными и прозрачными.
Истинные растворы – это однофазные системы переменного состава, содержащие атомы, ионы или молекулы и различные ассоциаты последних.

Качественный состав растворов
Растворителем считают то вещество, агрегатное состояние которого не изменяется при образовании раствора
Растворенное вещество
Если массы растворенного вещества m B2 и растворителя m B1 сопоставимы (m B2 ≈ m B1), то раствор считают концентрированным, если масса растворенного вещества m2 много меньше массы растворителя m1 (m B2 << m B1), то раствор считают разбавленным.

Количественный состав растворов
Соотношение количества растворенного вещества и растворителя количественно определяет концентрация раствора. В неорганической химии для количественного выражения состава растворов используют массовую долю, молярную концентрацию и эквивалентную концентрацию.

Концентрация раствора
Концентрация в химии – это молярность раствора Единица измерения молярной концентрации сB2 – моль/л. Если в растворе серной кислоты H2SO4 молярная концентрация равна 1 моль/л, то это обозначается как 1М раствор H2SO4 (одномолярный раствор серной кислоты).
Массовая доля wB растворенного вещества В
wB= mB / m(р)= mB / (mB + mводы)
Эквивалентная концентрация (нормальность):
следует дополнительно определить фактор эквивалентности или эквивалентное число.

Концентрация раствора
Моляльность растворенного вещества В (обозначение cm) определяется как отношение количества вещества В (nB, моль) к массе растворителя (ms, кг): cm = nB, / ms.. Единица измерения - моль/кг
Мольная доля вещества в смеси (в том числе в растворе) обозначается как xB и равна отношению количества вещества В (nB, моль) к суммарному количеству всех веществ в cмеси (растворе) Σni = nB + n1 + n2 + …+ ni, а именно:
xB = nB / Σni .. Мольная доля – безразмерная величина.

Растворимость
Растворимость – это способность вещества растворяться в данном растворителе при заданной температуре.
Количественно растворимость измеряется как концентрация насыщенного раствора.

Насыщенный раствор
Насыщенным (при данной температуре) называют раствор, который находится в равновесии с растворяемым веществом.
Устанавливается фазовое равновесие: растворяемое вещество ⮀ раствор

Ненасыщенный раствор
Ненасыщенным называют раствор, концентрация которого меньше, чем у насыщенного (при данной температуре) раствора.

Пересыщенный раствор
Пересыщенный раствор содержит растворенного вещества больше, чем требуется для насыщения при данной температуре.

Исследование растворимости веществ
Эксперимент: растворение кристаллического вещества (хлорид натрия) в жидком растворителе (вода)

T = const
Вода
Исследование растворимости веществ

Диаграмма растворимости
График зависимости растворимости от температуры – диаграмма (политерма) растворимости

Применение диаграммы растворимости
Эксперимент:
Получение насыщенного раствора из ненасыщенного.
Охлаждение насыщенного раствора
Диаграмма растворимости

t, °C
cB
0
t1
1
2
с1
с2
Применение диаграммы растворимости
t2

Пересыщенные растворы
Эксперимент: получение пересыщенных растворов из насыщенных
Диаграмма растворимости

t, °C
cB
0
t1
1
3
4
Пересыщенные растворы
ВидеофрагментВидеофрагмент

Виды диаграмм растворимости

Растворимость газов
Взаимная растворимость газов неограниченна.
Растворимость газа в жидкости зависит от природы газа, растворителя, температуры и прямо пропорциональна парциальному давлению pB газа B над поверхностью его раствора: pB = Kг xB (закон Генри).

Растворимость газов в воде
Кислород O2:
4,89 0°C 3,10 20°C 1,72 100°C
Азот N2:
2,35 0°C 1,54 20°C 0,95 100°C
Радон Rn:
51,0 0°C 22,4 25°C 13,0 50°C
(в мл газа/100 г H2O)

Растворимость газов
Ж1 + Г2: сольватация
H2O(ж) ⮀ (H2O)х при 25 °С х ≈ 4
Энтальпия сольватации ΔНс < 0 (экзотермич.)
Г(р) → Г(H2O)y
Г(s) → Г(ж1)y

Взаимная растворимость жидкостей
Неограниченная взаимная растворимость (вода и этанол, вода и серная кислота, вода и ацетон и др.)
Практически полная нерастворимость (вода и бензол, вода и CCl4 и др.)
Ограниченная взаимная растворимость

Ограниченная взаимная растворимость в системе вода – диэтиловый эфир
При 10 °С
А: 99,0% эфира + 1,0% воды
Б: 88,0% воды + 12,0% эфира
При 50 °С
А: 98,3% эфира + 1,7% воды
Б: 95,9% воды + 4,1% эфира
А
Б

Экстракция иода керосином из водного раствора

Растворимость твердых веществ в жидкостях (Ж1 + Т2)
Для смешения: ΔGM = ΔHM - TΔSM
Энтропийный фактор:
ΔSM > 0; если T↑, (TΔSM)↓
Энтальпийный фактор:
ΔHM = ΔHкр + ΔHс + ΔHр
ΔHкр – разрушение кристаллической решетки (эндотермич.)
ΔHс – сольватация (экзотермич.)
ΔHр – разрушение структуры растворителя (эндотермич.), ≈0

Температурная зависимость растворимости
Возможно 3 случая:
ΔHM < 0 (орг. вещ-ва, МОН, Li2CO3, AlCl3 …)
ΔHM > 0 (KNO3, NH4NO3, KI …)
ΔHM ≈ 0 (CdI2)