1. Общая характеристика растворов. ля. Лекция «Растворы неэлектролитов»

Лекция «Растворы неэлектролитов»
1. Общая характеристика растворов.
2. Понижение давления насыщенного пара растворителя. Законы Рауля.
3. Температуры замерзания и кипения разбавленных растворов.
4. Растворимость газов в жидкостях.
5. Диффузия. Осмос. Осмотическое давление разбавленных растворов. Закон Вант-Гоффа.
6. СР «Природные растворы» /Болдырев А.И. стр.92
1. Общая характеристика растворов
Исследование растворов – очень важная область физической химии,
т.к. большая часть процессов, представляющих интерес для химии, биохимии и биологии, протекает в жидкой фазе.
Раствор - это однородная (гомогенная) система, состоящая из двух
или более компонентов, состав которой может непрерывно изменяться в некоторых пределах без скачкообразного изменения ее свойств.
Обычно компоненты раствора разделяют на растворитель и растворенное вещество. Как правило, растворитель – это компонент, который при
растворении не меняет своего агрегатного состояния или же входит в состав
раствора в преобладающем количестве (чаще жидкость).
Раствор может иметь любое агрегатное состояние, т.о. по агрегатному
состоянию растворы делятся на:
1) жидкие (растворы солей в воде);
2) твердые (сплавы Ni и Cu, Ag и Au);
3) газообразные или газовые смеси (воздух).
Жидкие растворы делятся на две группы:
1) растворы неэлектролитов;
2) растворы электролитов.
Жидкие растворы кроме этого подразделяются на:
1) растворы газов в жидкостях;
2) растворы жидкостей в жидкостях;
3) растворы твердых тел в жидкостях.
Особое значение имеют водные растворы, т.к. подавляющее большинство процессов в природе совершается в водной среде. Водные растворы играют исключительную важную роль во всех процессах, протекающих в почвах, в животных и растительных организмах. Все природные воды (морская,
речная вода, вода минеральных источников и т.п.) представляют собой растворы различных солей. Различные биологические жидкости: плазма крови,
лимфа, соки растительных организмов – также содержат в растворенном состоянии органические и неорганические вещества.
Растворение – это физико-химическое взаимодействие растворяемого
вещества с молекулами растворителя. Процесс растворения веществ часто
1
сопровождается тепловым эффектом: выделением или поглощением теплоты
– в зависимости от природы вещества. При растворении в воде H2SO4 наблюдается сильное разогревание раствора, т.е. выделение теплоты, а при растворении NH4NO3 – сильное охлаждение, т.е. поглощение теплоты. В первом
случае осуществляется экзотермический процесс (ΔН<0), во втором – эндотермический (ΔН>0).
Теплота растворения – это количество теплоты, которое выделяется
или поглощается при растворении 1 моль вещества.
В результате взаимодействия молекул растворённого вещества с молекулами растворителя образуются сольваты (гидраты, если растворитель –
вода), процесс их образования – сольватацией (гидратацией).
Важной характеристикой любого раствора является его состав, который выражается концентрацией.
Концентрация раствора характеризует содержание растворенного
вещества в единице массы или объёма раствора или растворителя.
Способы выражения концентрации растворов
1) массовая доля
растворённого
вещества, ω (%)
показывает сколько грамм растворённого вещества
содержится в 100 г данного раствора.

m(вещества)
 100%
m( раствора)
m (р-ра) = ρ·V, ρ(Н2О)=1г/мл
2) молярная кон- показывает, сколько молей растворённого вещества
содержится в 1л раствора
центрация,
 (в  ва)
m(в  ва)
СМ (моль/л)
С 

м
3) нормальная
концентрация,
Сн (моль/л)
4) моляльная
концентрация m
(моль/кг)
5) молярная доля
Х(%)
V ( р  ра)
М (в  ва)  V ( р  ра)
показывает, сколько молей эквивалента растворённого вещества содержится в 1л раствора
Сн 
 экв . (в  ва)
V ( р  ра)

m(в  ва)
М экв . (в  ва)  V ( р  ра)
число молей растворенного вещества в одном кг растворителя
m
 (в  ва)
m( р  ля)
 (в  ва)
Х 
 100%
 ( р  ля)   (в  ва)
2. Понижение давления насыщенного пара растворителя. Законы Рауля
Давление насыщенного пара жидкости при данной температуре является величиной постоянной. Так, при 293 К давление насыщенного пара воды равно 2,319  103 Па.
2
Любая чистая жидкость в закрытом сосуде (Т =const), испаряясь, создает определенную концентрацию пара в свободном объеме и создает определенное давление, называется давлением насыщенного пара. Как это происходит? Отдельные молекулы с максимальным уровнем кинетической энергии
способны преодолеть силы поверхностного взаимодействия и перейти в газообразную фазу. Жидкость испаряется и создает давление. С увеличением
количества молекул, переходящих из жидкой фазы в газ увеличивается число
молекул, которые возвращаются из газообразной фазы в жидкую. Так будет
продолжаться до тех пор, пока количество испарившихся и сконденсированных молекул не уравнивается. Наступает динамическое равновесие, при котором концентрация молекул в газовой фазе соответствует насыщенному
пару, а возникающее давление называется упругостью пара.
Опыт показывает, что давление насыщенного пара над жидкостью при
постоянной Т понижается, если в ней растворить некоторое количество другого вещества. Растворяя небольшое количество какого-либо вещества в растворителе, мы понижаем концентрацию последнего в единице объема и тем
самым уменьшаем число молекул растворителя, покидающих поверхность
раствора в единицу времени. В результате – давление пара над раствором
всегда меньше, чем над чистым растворителем. При этом понижение давления пара тем больше, чем больше концентрация растворенного вещества в
растворе.
1 закон Рауля:
Относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором равно молярной доле растворённого вещества (Х):
р0  р
р0
Х 
Х

  0
где: P0 - давление насыщенного пара над чистым растворителем,
P - давление насыщенного пара над раствором;
Х – молярная доля растворенного вещества;
 – число молей растворенного вещества;
0 – число молей растворителя.
3. Температуры замерзания и кипения разбавленных растворов
Согласно опытным данным, температура замерзания и кипения растворов зависят от давления пара над ними. Еще М.В. Ломоносов обнаружил,
что растворы замерзают при более низкой и кипят при более высокой температуре, чем чистые растворители.
Процессы замерзания и кипения растворов были детально изучены
Раулем (1882).
3
2 закон Рауля:
Понижение температуры замерзания или повышение температуры кипения растворов по сравнению с чистым растворителем прямо
пропорционально его моляльной концентрации (m)
Тзам = К  m ,
Ткип = Е  m, где
К - криоскопическая постоянная, определяется природой растворителя и показывает понижение температуры замерзания, вызываемое растворением 1 моль вещества (неэлектролита) в 1 кг этого растворителя.
Е - эбуллиоскопическая постоянная, характерна для данного растворителя и показывает, на сколько градусов повышается температура кипения
при растворении 1 моль неэлектролита в 1 кг растворителя
К(H2O) = 1,86o
Е(H2O)= 0,520
М К
1000  m
W  T
М – молярная масса вещества;
К – криоскопическая постоянная воды;
W – масса растворителя (воды);
m – масса растворенного вещества.
Метод исследований, основанный на измерении понижения температуры замерзания растворов, называют криоскопическим методом или криоскопией.
Криоскопия позволяет определить:
*
молекулярную массу растворённого вещества (неэлектролита),
*
концентрацию вещества в растворе,
*
осмотическое давление раствора.
Так как законы Рауля справедливы лишь для разбавленных растворов,
то понижения температуры замерзания очень малы, и вследствие этого необходима высокая точность измерения температуры. Для этой цели используют термометр Бекмана.
Прибор для криоскопических измерений
4
Криоскоп (или прибор Бекмана) - это прибор для определения разности температур замерзания. Охлаждение жидкости производится в пробирке
А, которая снабжена мешалкой и отверстием для термометра Бекмана. Пробирка А погружается в толстостенный стакан В с мешалкой и охлаждающей
смесью.
Метод исследований, основанный на измерении повышения температуры кипения растворов, называю эбуллиоскопией.
Свойство растворов понижать температуру замерзания воды имеет
большое значение:
1) Очень важно для растительных и животных организмов снижение
температуры замерзания растворов. Вся межклеточная жидкость и содержимое цитоплазмы представляет собой водные растворы органических и неорганических веществ, температура замерзания которых ниже 273 К, поэтому
организмы не погибают при пониженных температурах.
2) Зимостойкость растений обусловлена концентрацией клеточного сока: чем выше концентрация, тем более низкие температуры может переносить растение. Процесс превращения более высокомолекулярных соединений
в соединения с меньшей молекулярной массой при наступлении холодов
(крахмала в глюкозу), протекающий в клетках растений, также вызван стремлением повысить концентрацию клеточного сока. Поэтому дополнительная
обработка виноградной лозы осенью водными растворами двухатомных
спиртов-гликолей методом опрыскивания лозы, увеличивает концентрацию
органических веществ в клетках растений, что снижает значение Тзам. цитоплазматического сока и увеличивает морозоустойчивость растений. Этот метод увеличения морозоустойчивости виноградной лозы нашел применение на
практике в Армении, благодаря трудам академика С.Г. Мацояна и его школы.
3) Метод измерения концентрации клеточного сока по температурам замерзания растворов в настоящее время широко используется в селекционной
работе при выведении новых зимостойких сортов различных сельскохозяйственных культур.
4) Приготовление антифризов – жидкостей для охлаждения двигателей
внутреннего сгорания – водные растворы некоторых органических (спирты,
этиленгликоль) и неорганических веществ, которые не замерзают при низких
температурах (так 55%-й раствор этиленгликоля в воде не замерзает даже
при -400С).
4. Растворимость газов в жидкостях
Газы при соприкосновении с жидкостью способны растворяться в ней.
Растворимость газов в жидкости зависит от природы газа, от природы жидкости, температуры и давления.
Газы, молекулы которых неполярны, растворяются, как правило, лучше
в неполярных растворителях и наоборот. Так, например, растворимость ам-
5
миака в воде выше (полярный растворитель), чем в толуоле (неполярный
растворитель).
На растворимость газов большое влияние оказывают давление и температура. Зависимость растворимости газов от температуры и давления впервые исследовал английский химик Уильям Генри, который еще в 1808 г.
установил, что при постоянной температуре растворимость данного газа
в жидкости прямо пропорциональна его давлению над жидкостью:
С = К∙Р
Т = const;
С – концентрация газа в жидкости;
Р – давление газа над раствором;
К – константа, зависящая от природы газа.
Т.о., растворимость газа в жидкости прямо пропорциональна его парциальному давлению. Понижение парциального давления приводит к уменьшению растворимости газа. Например, образование обильной пены при откупоривании бутылки шампанского – демонстрация снижения растворимости СО2 при снижении давления в системе (бутылки).
С изменением растворимости газов от резкой перемены давления связана «Кессонная болезнь» у водолазов (закупорка кровеносных сосудов головного мозга пузырьками азота). При слишком быстром подъеме с больших
глубин водолаза растворенный азот выделяется в кровь пузырьками, что приводит к закупорке мелких кровеносных сосудов в мозгу и в других жизненно
важных органах, что может быть причиной тяжелого заболевания или даже
гибели человека.
5. Диффузия. Осмос. Осмотическое давление разбавленных растворов. Закон Вант-Гоффа
В смесях газов и в растворах частицы равномерно распределяются по
всему объему. Так, если на концентрированный раствор NaCl налить слой
дистиллированной воды, то молекулы NaCl, совершая хаотическое движение,
постепенно и равномерно будут распределяться по всему объему жидкости.
Одновременно молекулы Н2О проникают в раствор соли, разбавляя его до
полного выравнивания концентраций по всему объему. Оба эти процесса
идут самопроизвольно и до тех пор, пока не произойдет полное выравнивание концентраций соли во всем объеме раствора.
Самопроизвольный процесс переноса вещества, в результате которого
устанавливается равновесное распределение концентраций вследствие беспорядочного теплового движения молекул, атомов, ионов в газах, жидкостях
или твердых телах, называется диффузией.
Диффузия имеет место и при смешивании растворов различных концентраций, а также в твердых телах и газах. Причем скорость ее в газах
наибольшая, а в твердых телах наименьшая.
6
Диффузия может проходить также, если на границе раствора поместить
полупроницаемую перегородку – мембрану (способна пропускать только молекулы растворителя и не пропускать молекулы растворенного вещества).
Полупроницаемостью обладают многие природные пленки (стенки
клеток живых и растительных организмов, стенки кишечника, протоплазма и
др.), а также пленки искусственного происхождения (целлофан, пергамент и
др.).
Осмос (по греч. osmos - толчок, давление) - это односторонняя самопроизвольная диффузия молекул растворителя через полупроницаемую перегородку (мембрану) в раствор или из раствора с низкой концентрацией в
раствор с высокой концентрацией.
Движущей силой процесса является разность концентраций растворителя по обе стороны мембраны.
Мембраны представляют собой материалы, пропускающие малые молекулы растворителя, но непроницаемые для более крупных частиц растворимых веществ.
Явление осмоса имеет большое значение:
1) Так как липидная оболочка и цитоплазма обладают свойствами полупроницаемой мембраны, все животные и растительные клетки – это осмотические системы.
2) Если живую клетку поместить в дистиллированную воду, то благодаря осмосу происходит их набухание и увеличение осмотического давления,
а затем осмотический шок и разрыв клеточных оболочек. Если живую клетку
поместить в сильно концентрированный раствор соли, то осмотическое внутриклеточное давление падает, происходит сжимание клеток из-за потери воды (плазмолиз). Это явление используется при консервировании пищевых
продуктов методом засолки – при добавлении больших количеств соли микроорганизмы подвергаются плазмолизу и погибают.
3) Гидростатическое давление, возникающее в растительных клетках в
результате осмотического процесса называется тургором. Благодаря тургору
ткани живых организмов имеют механическую прочность и упругость.
Подъем воды в растениях от корней к листьям осуществляется тургором.
Благодаря взаимосвязи всех клеток в организме, клетки листьев, теряя воду,
вследствие транспирации восполняют потери, осмотически всасывая ее из
клеток стебля, стебель, в свою очередь – из клеток корня, а клетки корня из
почвы. Растение развивается при условии превышения осмотического давления внутриклеточного сока над осмотическим давлением почвенного раствора.
Различают два вида осмоса: эндоосмос и экзосмос.
Эндоосмос - осмос, направленный внутрь ограниченного объёма жидкости.
7
Экзоосмос - осмос, направленный наружу из ограниченного объёма
жидкости.
Перенос растворителя через мембрану создаёт осмотическое давление, равное избыточному давлению, которое нужно приложить со стороны
раствора, чтобы прекратить осмос - создать состояние осмотического равновесия.
Закон Вант-Гоффа (1887 г.):
осмотическое давление разбавленных растворов неэлектролитов
зависит от концентрации и температуры растворов
Р = с R T, где
Р - осмотическое давление, атм,
с - молярная концентрация, моль/л,
R - универсальная газовая постоянная, R = 0,082 л∙атм/ моль∙град.
Растворы, обладающие при одинаковых условиях одинаковым осмотическим давлением, называются изотоническими. Так 0,9 %-й раствор хлорида натрия (кровезаменитель) по отношению к крови является изотоническим. Осмотическое давление крови 0,8 МПа.
8