ХИМИЯ Лекция 04 Растворы. Электролитическая диссоциация

ХИМИЯ
Лекция 04
Растворы.
Электролитическая диссоциация
Е.А. Ананьева, к.х.н., доцент,
кафедра «Общая Химия» НИЯУ МИФИ
Растворы
• «Corpora non agent nisi fluida» «вещества не реагируют,
если они не растворены».
РАСТВОРЫ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
 Раствор – многокомпонентная гомогенная
система переменного состава
 Растворитель (A или S) – количественно
преобладающий компонент раствора
 Растворенное вещество (B, АХ) –
компонент, находящийся в растворе в
меньшем количестве
B
A
КЛАССИФИКАЦИЯ РАСТВОРОВ
По агрегатному
состоянию
Газообразные
Жидкие
Твердые
По природе
растворителя
Водные
Неводные
Ионные жидкости
По числу
компонентов
Бинарные
Многокомпонентные
По концентрации
Предельно-разбавленные
Разбавленные
Концентрированные
Насыщенные
По состоянию
Электролит
Слабый электролит
Неэлектролит
Концентрация
Концентрация – количественное соотношение
между компонентами раствора, выраженное в
той или иной форме.
 Предельно разбавленный раствор
 Разбавленный
 Концентрированный
 Насыщенный
 Пересыщенный
~
Растворимость вещества ( C ) – концентрация его
насыщенного раствора при данных Р и Т.
КОНЦЕНТРАЦИЯ
Основные виды концентрации
• Мольная доля, х – отношение числа молей i-го
компонента в системе к общему числу молей всех
компонентов в системе:
ni – количество вещества i-го компонента в системе,
моль;
КОНЦЕНТРАЦИЯ
• Массовая доля, ω – отношение массы i-го компонента
(mi) в системе к массе раствора
ω = mi / mраствора,
ω % = mi / mраствора · 100%
m(раствора) = m(растворенного вещества) + m (растворителя)
Массовая и мольная доли размерности не имеет,
Массовую или мольную долю можно выражать
в долях от единицы или в процентах
КОНЦЕНТРАЦИЯ
Пример 4.1
Массовая доля растворенного вещества (сахара) в воде
равна 0,1 или 10 %. Чему равна масса сахара и масса воды
в 200 г раствора?
Решение.
Т.к. массовая доля растворенного вещества (B) – это
безразмерная величина, равная отношению массы
растворенного вещества m(B) к общей массе раствора, то
m(сахара) = ω (сахара)·m(раствора) = 0,1 · 200 = 20 г
m(воды) = m(раствора) - m(сахара) = 200 -20 = 180 г
Это означает, что в 200 г раствора содержится 20 г сахара
и 180 г воды (или 180 мл воды).
КОНЦЕНТРАЦИЯ
Пример 4.2
Какую массу хлорида натрия и воды нужно взять для
приготовления 500 г 2 % раствора?
Решение.
где (NaCl) – массовая доля в %, m – масса раствора, г.
m(H2O) = m – m(NaCl) = 500 – 10 = 490 г.
• Таким образом, для приготовления 500 г 2 % раствора
хлорида натрия надо взять 10 г соли и растворить их в 490 г
(или в 490 мл) воды.
КОНЦЕНТРАЦИЯ
Молярная концентрация C(B) – это отношение
количества растворенного вещества (B) (или ni ) к
объему раствора V или число моль растворенного
вещества в 1 литре раствора:
или
,
где M(B) – молярная масса растворенного вещества, г/моль.
• Молярность измеряется в моль/л и часто для
краткости обозначается буквой M.
КОНЦЕНТРАЦИЯ
Пример 4.3
Какое количество моль серной кислоты содержится в 4-х
литрах 0,25M раствора?
Решение.
• n(H2SO4) = C(H2SO4)  V = 0,25 моль/л  4 л = 1,0 моль;
• n(H2SO4) = 1 моль.
КОНЦЕНТРАЦИЯ
Пример 4.4
Какую массу перманганата калия нужно взять для
приготовления 2-х литров 0,1M раствора?
Решение.
• m(KMnO4) = C(KMnO4)  V  M(KMnO4) =
• = 0,1 моль/л  2,0 л  158 г/моль = 31,6 г.
• Таким образом, для приготовления 2 л 0,1M
раствора нужно взять 31,6 г KMnO4 и растворить
их в воде. Объем раствора довести до 2 литров.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
КОМПОНЕНТОВ В РАСТВОРЕ
 Процесс растворения – это самопроизвольный
процесс, который сопровождается, как правило,
различными физико-химическими
взаимодействиями между компонентами и
различными тепловыми явлениями.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
КОМПОНЕНТОВ В РАСТВОРЕ
• Идеальный раствор – гипотетическая система,
компоненты которой одинаковы по характеристикам
межмолекулярных взаимодействий.
• При наличии специфических взаимодействий между
компонентами раствора (химических превращений,
донорно-акцепторных и водородных связей и т. п.),
которыми пренебречь нельзя, растворы считают
реальными
ТИПЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
Растворитель – растворенное вещество
NH3+H2O = NH3*H2O
Mg2+ +6H20 = [Mg(H2O)6]2+
Растворенное вещество – растворенное вещество
(HF)n
Растворитель – растворитель
(H20)4, (C2H5OH)2
Растворы йода в воде,
этаноле, бензоле.
четырѐххлористом углероде.
ТИПЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
 Сольватация – процесс
взаимодействия растворителя и
растворенного вещества.
 Если растворитель вода –
гидратация
 Растворение протекает с
образованием различных по форме и
прочности продуктов – гидратов. При
этом участвуют силы как физической,
так и химической природы. Процесс
растворения вследствие такого рода
взаимодействий компонентов
сопровождается, как правило,
различными тепловыми явлениями.
ТИПЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
• Теплоту образования раствора следует рассматривать
как сумму эндо- и экзотермических теплот всех
процессов, сопровождающих растворение. Наиболее
значительными среди них являются:
• поглощающие тепло процессы (эндо-): разрушение
кристаллической решетки, разрушение связей в
молекулах;
• выделяющие тепло процессы (экзо-): образование
различного рода продуктов взаимодействия и, в
первую очередь, гидратов.
• Например, растворение гидроксида NaOH
сопровождается выделением тепла, т.е. является
экзотермическим процессом. При этом на разрушение
кристаллической решетки тратится 884 кДж/моль, а при
образовании гидратированных ионов Na+ и OH–
выделяется соответственно 422,0 и 510,0 кДж/моль.
ТИПЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
ВОДА – ОСОБЫЙ РАСТВОРИТЕЛЬ
ВОДА – ОСОБЫЙ РАСТВОРИТЕЛЬ
ВОДА – ОСОБЫЙ РАСТВОРИТЕЛЬ
Температура кипения.
•
•
•
•
•
Если предположить,
что нет ассоциации молекул воды:
Вода должна кипеть при -80° С
Океаны внезапно закипят.
На Земле не останется ни одной капли воды, (не
будет жидкой воды)
На небе никогда не сможет больше появиться ни
одного облачка... Ведь в атмосфере земного шара
температура нигде не падает ниже минус 80 — минус
90°
Не будет биологической формы жизни
ВОДА – ОСОБЫЙ РАСТВОРИТЕЛЬ
Благодаря особому строению молекул, вода может
взаимодействовать с растворенным веществом
различным образом:
 Электростатическое взаимодействие (диполь –
диполь, диполь – наведенный диполь, диполь-ион).
 Донорно-акцепторное взаимодействие с
катионами за счет неподеленных пар электронов
на атоме кислорода.
 Образование водородных связей с анионами или с
атомами с большой электроотрицательностью.
ВОДА – ОСОБЫЙ РАСТВОРИТЕЛЬ
ВОДА – ОСОБЫЙ РАСТВОРИТЕЛЬ
Диэлектрическая проницаемость
вода обладает исключительно высоким, аномальным
значением диэлектрической проницаемости (έ).
Для воды έ = 80, а для воздуха и вакуума έ = 1.
• В воде ионы (заряды) взаимно притягиваются друг
к другу с силой в 80 раз меньшей, чем в воздухе
согласно закону Кулона
ВОДА – ОСОБЫЙ РАСТВОРИТЕЛЬ
Диэлектрическая проницаемость
 Все межмолекулярные и внутримолекулярные связи во
всех веществах, от которых зависит ИХ прочность,
обусловлены взаимодействием между положительными
зарядами
атомных
ядер
и
отрицательными
электронами.
 Силы, действующие между молекулами или атомами,
ослабевают под влиянием воды почти в сотню раз. Если
оставшаяся прочность связи между молекулами
становится
недостаточной,
чтобы
противостоять
действию теплового движения, молекулы, атомы или
ионы вещества
отрываются от его поверхности и
переходят в воду.
ВОДА – ОСОБЫЙ РАСТВОРИТЕЛЬ
Диэлектрическая проницаемость
 Вещество начинает растворяться, распадаясь либо на
отдельные молекулы, как сахар в стакане чая, либо на
заряженные частицы — ионы (диссоциация электролитов)
Электролитическая диссоциация
Электролит - вещество, расплав или раствор которого
проводит электрический ток вследствие диссоциации на
ионы.
Процесс распада вещества на ионы при его растворении
в результате гидратации (сольватации) называют
электролитической диссоциацией.
СХЕМА ГИДРАТАЦИИ ИОННОГО
КРИСТАЛЛА. ДИССОЦИАЦИЯ
СХЕМА ГИДРАТАЦИИ ПОЛЯРНЫХ
ВЕЩЕСТВ. ДИССОЦИАЦИЯ
СХЕМА ГИДРАТАЦИИ ПОЛЯРНЫХ
ВЕЩЕСТВ. ДИССОЦИАЦИЯ
Схема электролитической диссоциации
под действием гидратации (сольватации)
Сванте Август Аррениус
19 февраля 1859 – 2 октября 1927
1887 –теория электролитической
диссоциации
1887 – электролитическая
теория кислот и оснований
1889 – теория температурной
зависимости скорости реакций
1902 – исследование
химических реакций
в живых организмах
1903 –Нобелевская премия
Состояние
растворенного вещества
Растворенное вещество
электролиты
Сильные α>0,3
неэлектролиты
Слабые α<0,3
HBr, HCl, NaOH, HNO3
NH4OH, H2S, HCN, HClO
Большинство
неорганических солей
Большинство
органических кислот
Степень диссоциации
Диссоциация
сильных электролитов
КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОЛИТОВ
Электролит//Неэлектролит – это
характеристика системы
HCl +C6H6 – неэлектролит
НСl + C2H5OH – слабый электролит
HCl +H2O – сильный электролит
КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОЛИТОВ
Способность вещества к электролитической
диссоциации зависит и от свойств растворенного
вещества и растворителя:
Растворенное вещество: полярное и легко
поляризуемое ( чем полярнее и легче полляризуются
связи, тем лучше диссоциация. Ионные вещества –
как правило, сильные электролиты).
Растворитель: молекула- диполь, большая
диэлектрическая проницаемость.
Диссоциация
сильных электролитов
Диссоциация
сильных электролитов
Пример 4.5
Определите молярную концентрацию ионов Cr3+ в 0,5M растворе
Cr2(SO4)3 :
Решение.
Cr2(SO4)3 - сильный электролит, полностью диссоциирующий на
все составляющие ионы:
C(Cr3+) = 2С = 1,0 моль/л
Диссоциация
сильных электролитов
Пример 4.6
Сильными электролитами являются
1.CsOH
4. HF
2.NH4OH
5. HI
3.Cu(NO3)2
6. AgCl
Решение.
Среди перечисленных веществ к сильным основаниям относится
CsOH (основание, образованное щелочным металлом), к сильным
кислотам – НI (HF не относится к сильным кислотам, так как в ее
растворах происходит заметная ассоциация). К сильным
электролитам относятся любые соли, в т.ч. и малораствормые
(малорастворимые соли ограниченно растворимы, но при
растворении полностью диссоциируют на ионы, а так как степень
диссоциации определяется по отношению к растворимой части, то в
этом случае она стремится к единице).
Таким образом, сильными электролитами среди перечисленных
веществ будут
CsOH, HI, Cu(NO ) , AgCl.
ХИМИЯ
Лекция 04
Домашнее задание
Растворы.
Электролитическая диссоциация
Е.А. Ананьева, к.х.н., доцент,
кафедра «Общая Химия» НИЯУ МИФИ
Домашнее задание 4.1
4.3.1. Насыщенный раствор какого вещества можно назвать разбавленным:
А) BaSO4;
Б) Al2(SO4)3;
В) NaCl;
Г) NaOH?
4.3.2. Чему равна молярная концентрация ионов Cl– в растворе AlCl3 с
концентрацией 0,5 моль/л:
А) 1,5 моль/л;
Б) 0,5 моль/л;
В) 1,0 моль/л;
Г) 25 %?
4.3.3. Растворимость нитрата аммония при 10 С равна 156 г на 100 г воды.
Определите массовую долю NH4NO3 в насыщенном растворе:
А) 64,1 %;
Б) 56,0 %;
В) 60,9 %;
Г) 39,1 %.
Домашнее задание 4.2
4.4.1. В каком объеме воды надо растворить 11,688 г NaCl, чтобы получить
одномолярный раствор? Плотность раствора () равна 1,035 г/мл.
4.4.2. Рассчитайте молярную концентрацию гидроксида калия в 20 %-ном
водном растворе. Плотность этого раствора равна 1,176 г/мл.
4.4.3. К 250 г 5 %-ного водного раствора гидроксида натрия добавили 34,5 г
оксида натрия. Вычислите массовую долю вещества в полученном
растворе.
4.4.4. Смесь порошкообразных серебра и меди массой 4,52 г нагрели с
избытком концентрированной серной кислоты. Выделившийся при этом газ
поглотили 34,9 мл раствора гидроксида бария (массовая доля гидроксида
бария в растворе 20,4 %, плотность раствора 1,2 г/мл). Выпавший осадок
отфильтровали. На полную нейтрализацию фильтрата израсходовали 18
мл соляной кислоты с концентрацией 1,67 моль/л. Вычислите массовые
доли металлов в смеси и объем газа (при нормальных условиях),
выделившегося при действии кислоты на металлы.
Домашнее задание 4.3
4.5.1. Электролитическая диссоциация – это процесс распада веществ на
ионы
A. под действием полярных молекул растворителя
B. под действием диполей воды
C. под действием электрического поля
D. под действием магнитного поля
E. в результате сольватации
F. в результате гидратации
4.5.2. Способность веществ к электролитической диссоциации возрастает
A. при увеличении полярности связей в веществе
B. при увеличении дипольного момента молекул растворителя
C. при уменьшении диэлектрической проницаемости растворителя
D. при увеличении диэлектрической проницаемости растворителя
E. при увеличении поляризуемости связей в веществе
4.5.3. Объясните, существует ли противоречие между законом Кулона,
характеризующим взаимодействие заряженных частиц и процессом
электролитической диссоциации? Почему образовавшиеся ионы (катионы и
анионы) не объединяются в соответствии с законом в нейтральные
молекулы?
Домашнее задание 4.4
4.6.1. В растворе K3[Ag(CN)4] преобладают ионы:
А) K+ и Ag+;
Б) K+ и [Ag(CN)4]3–;
В) K+ и CN–;
Г) K+ и [Ag(CN)2]–.
4.6.2. Молярная концентрация ионов Cl– в 0,2M растворе FeCl3:
А) 0,2 моль/л;
Б) 1,0 моль/л;
В) 0,6М;
Г) 25 %.
4.6.3.
Определите концентрацию раствора сульфата натрия,
C(Na+) = 0,8 моль/л.
А) 0,8 моль/л;
Б) 0,4 моль/л;
В) 0,8 %;
Г) 0,4 %.
если
Лекция закончена