(Назад)
(Cкачать работу)Доказательством того, что компоненты раствора химически взаимодействуют друг с другом, служит тот факт, что многие вещества выделяются из водных растворов в виде кристаллов, содержащих кристаллизованную воду – гидратов; причем на каждую молекулу растворенного вещества приходится определенное число молекул воды. Как правило, гидраты – нестойкие соединения, во многих случаях они разлагаются уже при выпаривании растворов. Но иногда гидраты так прочны, что при выделении растворенного вещества из раствора вода входит в состав его кристаллов. Вещества, в состав которых входят молекулы воды называются кристаллогидратами, а содержащаяся в них вода - кристаллизованной. Прочность связи между гидратами и кристаллизованной водой различна. Многие из них теряют кристаллизованную воду уже при комнатной температуре, для некоторых требуется значительное нагревание, а от кристаллогидрата алюминия, например, не удается удалить воду никакими способами.
Состав кристаллогидратов принято изображать формулами, показывающими, какое количество кристаллизованной воды содержит кристаллогидрат. Например, кристаллогидрат сульфата натрия, содержащий на один моль Na2SO4 10 молей воды выражается формулой Na2SO4.10h3O.
Иначе протекает диссоциация молекул, которые обладают полярной связью. Молекулы воды, притянувшиеся к концам полярной молекулы (диполь-дипольное взаимодействие), вызывают расхождение ее полюсов – поляризуют молекулу. Такая поляризация в сочетании с колебательным движением атомов в самой молекуле, а так же беспорядочное тепловое движение окружающих ее молекул воды приводит к распаду полярной молекулы на ионы. Как и в случае растворения кристалла с ионной связью эти ионы гидрируются.
Гидрированные ионы содержат как постоянное, так и переменное количество молекул воды, это количество зависит от концентрации и других условий. Гидрат постоянного состава образует ион водорода H+, он называется ионом гидроксония. Ион гидроксония благодаря очень маленьким размерам обладает электростатическим полем большой электороотицательности. Он не имеет электронной оболочки и поэтому не испытывает отталкивания от электронных оболочек других атомов. Поэтому в растворах ион гидроксония существует исключительно в виде объединений с молекулами воды. Самый прочный комплекс образуется с одной молекулой воды, который так же окружается гидратной оболочкой из других молекул. III. Классификации растворов. Существует несколько способов классификации растворов. Так, основываясь на величине электрической проводимости, различают растворы электролитов и неэлектролитов. Можно классифицировать растворы по агрегатному состоянию системы и тех частиц, из которых она состоит.
Возможна классификация раствора по количеству растворенного вещества в нем присутствующего. Если молекулярные или ионные частицы, распределённые в жидком растворе, присутствуют в нём в таком количестве, что при данных условиях не происходит дальнейшего растворения вещества, раствор называется насыщенным. (Например, если поместить 50 г NaCl в 100 г h3O, то при 20ºC растворится только 36 г соли). Насыщенным называется раствор, который находится в динамическом равновесии с избытком растворённого вещества. Поместив в 100 г воды при 20ºC меньше 36 г NaCl мы получим ненасыщенный раствор. При нагревании смеси соли с водой до 100○C произойдёт растворение 39,8 г NaCl в 100 г воды. Если теперь удалить из раствора нерастворившуюся соль, а раствор осторожно охладить до 20ºC, избыточное количество соли не всегда выпадает в осадок. В этом случае мы имеем дело с перенасыщенным раствором. Перенасыщенные растворы очень неустойчивы. Помешивание, встряхивание, добавление крупинок соли может вызвать кристаллизацию избытка соли и переход в насыщенное устойчивое состояние.
С точки термодинамики можно различать идеальные растворы и неидеальные (или реальные). В идеальных растворах, к которым реальные могут только приближаться, внутренняя энергия каждого компонента не зависит от концентрации. Компоненты в идеальном растворе смешиваются, как идеальные газы; предполагается, что сил взаимодействия между частицами нет, и вещества смешиваются без выделения или поглощения теплоты.
Растворы, не удовлетворяющие указанным условиям, относят к реальным растворам. Чем меньше концентрация раствора, тем ближе он к идеальному раствору. Растворы изотопов одного элемента в другом почти точно подчиняются законам идеальных растворов. Однородные смеси неполярных веществ (углеводородов) близки к идеальным растворам при всех концентрациях. Растворы полярных веществ, особенно электролитов, обнаруживают заметное отклонение от идеальности уже при концентрациях, отвечающих мольной доле порядка одной миллионной.
продолжение --PAGE_BREAK--IV. Способы выражения состава растворов Любой раствор состоит из растворителя и растворенного вещества. В случае растворов газов или твердых веществ в жидкостях растворителем обычно считается жидкость, а растворенным веществом – растворенный газ или твердое вещество, независимо от их относительного количественного содержания. Когда компоненты обладают ограниченной смешиваемостью, то растворителем является тот, прибавление которого к раствору возможно в неограниченном количестве без нарушения гомогенности. Если компоненты обладают неограниченной растворимостью, то можно выделить два случая. При значительном различии содержания компонентов растворителем считается вещество, присутствующее в относительно большем количестве. Понятия растворитель и растворенное вещество теряют смысл, когда речь идет о смесях с примерно равными или близкими концентрациями компонентов. В этом случае состав раствора может выражаться различными способами – как с помощью безразмерных единиц – долей или процентов, так и через размерные величины – концентрации.На практике используют более десятка способов выражения концентрации. Вот некоторые из них:
1. Массовая доля растворенного вещества.
Отношение массы растворенного вещества B к массе растворителя.
<img width=«76» height=«47» src=«ref-1_621148038-300.coolpic» v:shapes="_x0000_i1025"> или <img width=«149» height=«47» src=«ref-1_621148338-387.coolpic» v:shapes="_x0000_i1026">
2. Мольная доля растворенного вещества.
Отношение количества растворенного вещества к суммарному количеству всех веществ, составляющих раствор, включая растворитель
<img width=«73» height=«47» src=«ref-1_621148725-310.coolpic» v:shapes="_x0000_i1027"> или <img width=«147» height=«47» src=«ref-1_621149035-403.coolpic» v:shapes="_x0000_i1028">
Мольная доля указывает на число молей данного вещества в одном моле раствора. Сумма мольных долей всех составных веществ равна единице:<img width=«61» height=«27» src=«ref-1_621149438-254.coolpic» v:shapes="_x0000_i1029">
3. Объемная доля растворенного вещества:
Отношение объема растворенного вещества к сумме объемов вещества и растворителя.
<img width=«71» height=«47» src=«ref-1_621149692-297.coolpic» v:shapes="_x0000_i1030"> или <img width=«144» height=«47» src=«ref-1_621149989-382.coolpic» v:shapes="_x0000_i1031"> 4. Молярная концентрация (или молярность).
Определяется отношением числа молей растворенного вещества к объему раствора, выраженному в литрах. Физический смысл молярной концентрации заключается в том, что она указывает на число молей вещества содержащегося в 1 литре его раствора.
<img width=«168» height=«45» src=«ref-1_621150371-373.coolpic» v:shapes="_x0000_i1032">
5. Нормальная концентрация (или нормальность).
Определяется отношением числа эквивалентов растворенного вещества B к объему раствора, выраженному в литрах. Физический смысл нормальной концентрации заключается в том, что она указывает на число эквивалентов растворенного вещества, содержащегося в 1 литре раствора.
<img width=«220» height=«48» src=«ref-1_621150744-454.coolpic» v:shapes="_x0000_i1033"> 6. Моляльная концентрация (или моляльность).
Определяется отношением числа молей растворенного вещества к массе растворителя. Физический смысл заключается в том, что она показывает, сколько молей вещества растворено в 1 кг (1000г) растворителя.
<img width=«153» height=«43» src=«ref-1_621151198-330.coolpic» v:shapes="_x0000_i1034"> Применение того или иного способа выражения концентрации зависит от решения конкретных практических задач.
V. Растворимость. Зависимость растворимости от температуры. <img width=«244» height=«390» src=«ref-1_621151528-8041.coolpic» hspace=«12» alt=«Подпись:. зависимость растворимости жидкостей от температуры» v:shapes="_x0000_s1064">Растворимостью называется способность вещества растворяться в том или ином растворителе. Мерой растворимости вещества является его содержание в насыщенном растворе. Если в 100 г воды растворяется более 10 г вещества, то такое вещество называют хорошо растворимым. Если растворяется менее 1 г вещества – вещество мало растворимо. Наконец, вещество считают практически нерастворимым, если в раствор переходит менее 0,01 г вещества. Абсолютно нерастворимых веществ не бывает.
Растворение большинства твердых веществ в жидкостях сопровождается обычно поглощением энергии. Это объясняется затратой значительного количества энергии на разрушение кристаллической решетки твердого вещества. В этом случае растворимость твердых веществ увеличивается с ростом температуры. Но если растворение сопровождается выделением энергии, то растворимость с ростом температуры понижается. Такое явление наблюдается при растворении в воде щелочей, солей лития, магния, алюминия.
<img width=«215» height=«225» src=«ref-1_621159569-9860.coolpic» hspace=«12» alt=«Подпись: зависимость растворимости газов от температуры» v:shapes="_x0000_s1095">Теоретически пока нельзя вычислить точно величину растворимости данного вещества в определенном растворителе. Сходство в химической природе двух веществ увеличивает их взаимную растворимость. Многие жидкости проявляют способность к неограниченной взаимной растворимости. Так бензол и толуол, вода и этиловый спирт могут смешиваться друг с другом в любых отношениях. Жидкости с ограниченной взаимной растворимостью образуют расслаивающиеся системы. По мере повышения температуры взаимная растворимость увеличивается, и тогда жидкости полностью смешиваются, образуя однородную массу. Температура, при которой наступает смешивание, называется критической температурой смешения. Растворение газов в воде представляет собой экзотермический пресс. Поэтому растворимость газов с повышением температуры уменьшается. Однако растворение газов в органических жидкостях сопровождается поглощением теплоты. Это происходит от того энергия межмолекулярного взаимодействия между молекулами растворителя и растворимого вещества больше, чем энергия притяжения между молекулами газа и растворителя в растворе.
На практике растворимость вещества выражается величиной, называемой коэффициентом растворимости. Коэффициент растворимости показывает массу вещества, насыщаемую при данной температуре 100 граммов растворителя. Растворимость некоторых веществ в воде представлена в таблице продолжение --PAGE_BREAK--VI. Теплоты растворения и разбавления. Изменение энтальпии при переходе твердого, жидкого или газообразного вещества в раствор называется теплотой или энтальпией растворения. Эндотермические реакции характеризуются положительным изменением энтальпии, а экзотермические – отрицательным. Энтальпией растворения называют изменение энтальпии при растворении 1 моль вещества в некотором количестве чистого растворителя. Процесс растворения в термохимии обычно выражают термохимическим уравнением, например процесс растворения a моль Pb(NO3)2 вb моль воды можно представить уравнением:
<img width=«345» height=«45» src=«ref-1_621169429-710.coolpic» v:shapes="_x0000_i1035">
Теплота растворения зависит от концентрации полученного раствора и от температуры.
Особый интерес представляют первая и полная теплоты растворения. Первой теплотой растворения называется изменение энтальпии при растворении 1 моль вещества в бесконечно большом количестве растворителя. В результате этого процесса образуется бесконечно разбавленный раствор. Полной теплотой растворения называется изменение энтальпии при растворении 1 моль вещества в таком количестве чистого растворителя, которой необходимо для образования насыщенного раствора.
Тепловой эффект взаимодействия раствора данной концентрации с чистым растворителем называется энтальпией разведения или разбавления. Если раствор, содержащий 1 моль растворенного вещества, разбавляется от данной концентрации до определенной конечной (не бесконечно малой) концентрации, то тепловой эффект тепловой эффект называется промежуточной теплотой разбавления.
VII. Давление пара растворов. Состав пара растворов. Давление насыщенного пара является весьма важным свойством растворов. С его величиной непосредственно связаны многие свойства растворов. Допустим, что к пару применимы законы идеальных газов. Воспользуемся упрощенной схемой испарения. Растворяя большое количество какого-либо вещества в данном растворителе, мы понижаем концентрацию молекул последнего в единице объема и уменьшаем этим число молекул, вылетающих в единицу времени из жидкой фазы в газообразную. В результате равновесие между жидкостью и паром устанавливается при меньшей концентрации раствора, т.е. при меньшем его давлении. Следовательно, давление насыщенного пара растворителя над раствором, должно быть всегда меньше, чем над чистым растворителем. При этом понижение давления пара будет, тем больше чем больше концентрация растворенного вещества в растворе. Из этого вытекает закон Генри, который можно выразить уравнением:
<img width=«88» height=«27» src=«ref-1_621170139-284.coolpic» v:shapes="_x0000_i1038"> , где
<img width=«380» height=«23» src=«ref-1_621170423-539.coolpic» v:shapes="_x0000_i1039">
p – парциальное давление
k – константа Генри
Закон Генризвучит так: Парциальное давление пара растворенного вещества пропорционально его концентрации в растворе.
При NA=1 парциальное давление пара pA представляет собой давление насыщенного данного компонента в свободном состоянии <img width=«21» height=«24» src=«ref-1_621170962-211.coolpic» v:shapes="_x0000_i1040">. Следовательно k=<img width=«21» height=«24» src=«ref-1_621170962-211.coolpic» v:shapes="_x0000_i1041"> и равенство принимает вид:
<img width=«92» height=«24» src=«ref-1_621171384-306.coolpic» v:shapes="_x0000_i1042">
Концентрация растворенного вещества в растворе при выражении ее в мольных долях этого веществаNA связана с концентрацией растворителя как
NA+NB =1. Подставляя это выражение в закон Генри получим:
<img width=«124» height=«24» src=«ref-1_621171690-341.coolpic» v:shapes="_x0000_i1043"> Þ
<img width=«104» height=«51» src=«ref-1_621172031-352.coolpic» v:shapes="_x0000_i1044">
Разность (<img width=«55» height=«24» src=«ref-1_621172383-248.coolpic» v:shapes="_x0000_i1045">) называется понижением давления насыщенного пара, а отношение <img width=«60» height=«48» src=«ref-1_621172631-303.coolpic» v:shapes="_x0000_i1046"> -относительным понижением давления насыщенного пара.
Согласно закону Рауля: Относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором равно мольной доле вещества в растворе
Если графически изобразить зависимость давления пара каждого вещества двухкомпонентной смеси от его мольной доли, поучиться прямая линия. Пусть даны вещества А и В. Обозначим их мольные доли NA и NB. По закону Рауля имеем:
<img width=«138» height=«138» src=«ref-1_621172934-194.coolpic» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1054">pA=<img width=«21» height=«24» src=«ref-1_621170962-211.coolpic» v:shapes="_x0000_i1047">*NA, pB=<img width=«21» height=«24» src=«ref-1_621173339-208.coolpic» v:shapes="_x0000_i1048">*NВ
<img width=«98» height=«98» src=«ref-1_621173547-1032.coolpic» v:shapes="_x0000_s1061 _x0000_s1055 _x0000_s1056 _x0000_s1057 _x0000_s1058 _x0000_s1059 _x0000_s1060">где p0есть давление пара чистого вещества. Это суть уравнения прямых, если на осях отложены давления пара и мольные доли.
Для общего давления пара раствора отсюда следует равенство: p=<img width=«21» height=«24» src=«ref-1_621170962-211.coolpic» v:shapes="_x0000_i1049">*NA + <img width=«21» height=«24» src=«ref-1_621173339-208.coolpic» v:shapes="_x0000_i1050">*NВ
Эта линейная зависимость осложняется если между компонентами смеси действуют силы притяжения, и она изображается не прямой, а кривой линией
Если оба компонента раствора вчистом состоянии летучи, то пар будет содержать оба компонента. Однако относительное содержание компонентов в парах в общем случае будет отличаться от относительного содержания их в жидкостях. Для простейших систем легко установить соотношение между составами раствора и пара, равновесного с ним. Только b системе, компоненты которой обладают одинаковым давлением пара в чистом состоянии, состав пара над раствором равен составу раствора. В остальных же случаях состав пара отличен от состава раствора и тем в большей степени, чем больше различаются давления пара над чистыми компонентами. В простейших системах в парах всегда преобладает по сравнению с жидкостью тот из компонентов, который обладает большим давлением пара в чистом состоянии.
В количественной форме соотношения между составом пара и жидкости могут быть выведены следующим путем. Обозначим через NA’и NB’мольные доли компонентов в парах, причем NA’=<img width=«27» height=«45» src=«ref-1_621174998-227.coolpic» v:shapes="_x0000_i1051"> иNB’=<img width=«25» height=«45» src=«ref-1_621175225-230.coolpic» v:shapes="_x0000_i1052">
Пользуясь законом Рауля легко получить, что p=<img width=«45» height=«53» src=«ref-1_621175455-306.coolpic» v:shapes="_x0000_i1053">, а пользуясь выражением p=<img width=«123» height=«24» src=«ref-1_621175761-358.coolpic» v:shapes="_x0000_i1054"> получаем, что <img width=«45» height=«53» src=«ref-1_621175455-306.coolpic» v:shapes="_x0000_i1055">=<img width=«123» height=«24» src=«ref-1_621175761-358.coolpic» v:shapes="_x0000_i1056">
Для систем, в которых зависимость давления пара от состава нелинейная, нет общего выражения, в такой простей форме связывающего составы пара и раствора. Зависимость состава пара от состава раствора и общего давления характеризуется законом, открытым Д.И.Коноваловым и носящими его имя. Закон Коновалова характеризует соотношения между составами равновесных жидкостей и пара и влияние добавления того или иного компонента на общее давление пара. Он формулируется следующим образом:
а) Повышение относительного содержания компонента в жидкой фазе всегда вызывает увеличение относительного содержания его и в парах.
b) В двойной системе пар, по сравнению с находящейся с ним в равновесии жидкостью, относительно более богаче тем из компонентов, прибавление которого к системе повышает общее давление пара, т.е. понижает температуру кипения смеси при данном давлении.
Введем в раствор из двух веществ какое-либо новое вещество. В общем случае это вещество распределится между обоими веществами в растворе, пропорционально своей растворимости в каждом из них. Отсюда втекает закон распределения, согласно которому вещество, способное растворяться в двух несмешивающихся растворителях, распределяется между ними так, что отношение его концентраций в этих растворителях при постоянной температуре остается постоянным, независимо от общего количества растворенного вещества.
<img width=«95» height=«49» src=«ref-1_621176783-347.coolpic» v:shapes="_x0000_i1057">
где С1B и С2B — концентрации растворенного вещества в первом и втором растворителях;
KD(B) – константа распределения вещества B между двумя жидкими несмешивающимися фазами.
продолжение --PAGE_BREAK--
www.ronl.ru
Приглашение к размышлению
Столкновение с неведомым всегда вызывает шок и резкую реакцию: этого не может быть, потому что этого не может быть никогда. Именно такой шок вызвало у научной общественности сообщение Бенвениста (если нет действующего начала – вещества, то нет и действия). Действительно, теория растворов настолько неотъемлемая часть современной науки, что усомниться в ее основах практически невозможно. Сегодняшние представления заложили исследования классиков науки (Менделеева, Ван-Гоффа, Аррениуса), выполненные в 80-х годах ХIХ века, и если эффект существует, его объяснение не должно противоречить основам разработанной теории. Поэтому рассмотрим для начала классический подход к разгадке эффекта сверхмалых концентраций (СМК). Из теории растворов следует необходимость учета взаимодействия растворителя и растворяемого вещества. Учет того факта, что внесение примеси в воду может существенно изменить объемные и поверхностные характеристики самой воды, способен дать многое. Вода всегда имеет примеси. Поэтому вполне возможно, что изменяется уникальное сочетание примесных характеристик воды, модифицированной белком или иным активным веществом(по примесным компонентам, поверхностному натяжению, объемному содержанию микропузырьков и образующих их газов). Тогда, если растворение примеси вызвало изменение в свойствах воды-растворителя, то при добавлении новой воды разводится уже не примесь в воде, а сама вода, в которой первоначально проводилось растворение. Смешивается «измененная» и стандартная вода, что приводит к иному расчету концентрации, и в этом случае, если такого рода расчет работает, объяснение эффекта СМК будет вполне классическим.
Однако при сумасшедшем разведении (10-30— 10-102) не останется даже следов исходной воды, которой в единице объема было ровно столько, сколько определяется числом Авогадро 6,02х1023, и потому стоит задуматься о неклассических объяснениях... Неклассическое (но не противоречащее теории растворов!) объяснение действия эффекта СМК может заключаться в предположении, что примесь вызывает образование определенных структур воды во всем объеме или на поверхности, от которой, как показывает история развития науки (например, в связи с открытием сверхтекучести гелия), весьма нелегко избавиться. Отмеченная в статье В.Е. Жвирблиса страсть воды к ассоциации, структурообразованию сегодня бесспорна. Более того, данные ИК-спектрометрии показывают, что существует широкий и почти непрерывный спектр структур. Реальная вода представляет набор объемных сетевых структур, в каждую из которых входит до сотни молекул воды. Видимо, набором структур воды и обусловлена фрактальная структура льда, обнаруженная не столь давно.
Для реализации неклассического механизма эффекта СМК следует предположить возможность самокопирования структур, возникших под действием растворенного вещества. Самокопирование или самоподдержание необходимо, так как оригинальный механизм «улыбки чеширского кота»— пустые «шубы» из-под молекул примеси, предложенный в статье
В.Е. Жвирблиса, не может объяснить эффект, при котором число «шуб» равно исходному числу молекул примеси. Это позволяет предположить, что измененная структура способна к воспроизведению. А вот далее можно только догадываться. Возможно, «шубы», как дефектные области, копируются водой в процессе, подобном пластической деформации кристаллов при встряхивании и перемешивании, и размножаются как дислокации в кристалле. Возможно, запускается некий автокаталитический процесс самокопирования. В сильно разбавленных растворах (там, где зарождается эффект СМК) мы можем столкнуться с автоволновым процессом, когда структурные ансамбли переходят из одного выделенного состояния в другое под действием самовозбуждающихся в растворе волн неравновесных условий. Периодические реакции Жаботинского—Белоусова сегодня прочно вошли в обиход науки. Быть может, в воде запускается некоторая периодическая реакция— циклический переход одной структуры воды в другую, в результате которого самоподобные структуры размножаются? Причем разнообразие «продукции» такого «завода» воспроизводства структур может быть весьма велико при наличии непрерывного структурного спектра. Возбудив один или несколько таких процессов в объеме воды, исходная примесь, видимо, становится уже не нужна— мавр сделал свое дело. Дальнейшее добавление воды в раствор должно приводить к разрастанию процесса самокопирования структур подобно тому, как кристалл растет от затравки— маленького кристаллика, провоцирующего процесс кристаллизации. Причем в новой порции воды для процесса структуризации важен только фактор времени, необходимого для образования «действующей» концентрации структур. При этом нет ограничений на количество воды, которое может быть охвачено процессом. Все реки зимой замерзают, кроме горячих… В результате критическим экспериментом для «структурного» механизма должно стать изучение зависимости эффекта СМК от температуры. Возможно, критично и время, прошедшее от очередного разбавления до обнаружения эффекта.
Во всем сказанном можно выделить главное: мысль человеческая ничуть не менее изобретательна, чем природа, которая ее породила, и именно потому мы способны к познанию природы. Изучение самого факта существования обсуждаемого эффекта до сих пор сдерживалось, по всей видимости, скорее консервативностью мысли исследователей, воспитанных на классической теории растворов, чем непознаваемостью самого явления. Помните: А и Б сидели на трубе, А упало, Б пропало, что осталось на трубе? Осталось скромное и незаметное «и»— рабочий «фоновый» союз, почти неразличимый в обычной речи. Так и здесь: если само вещество действовать не может— его просто нет, но действие есть, то кто-то же должен действовать. И этот кто-то— вода— фон всего процесса. Заметим, что для обнаружения эффекта СМК, как правило, используется биоиндика- ция— реакция живых организмов или их тканей (см. статью Тушмаловой и Лебедевой). Видимо, механизм эффекта понятен структуре живого, вышедшего из воды... Людвиг фон Берталанфи на вопрос: «Что есть жизнь?»— дал весьма примечательный ответ: «Жизнь— это скорее процесс, чем структура». Видимо, прежде, чем мы поймем, что же такое жизнь, нам еще не раз придется отказаться от механистических схем и перейти к представлению о постоянно действующих в области живого (и не только) самоподдерживающихся явлениях.
Яркий пример этого— работа Стивена Роуза, исследовавшего механизм работы памяти. В своей книге «Устройство памяти— от молекул к сознанию» (М., «Мир». 1995) он пишет, что общим в его работе и трудах других исследователей явился вывод: «… память… не есть некая пассивная надпись на восковой табличке или кремниевых чипах мозга— она представляет собой активный процесс». Так же и разум не сумма знаний, но горящий светильник. И это только начало долгого разговора...
Зам. гл. редактора журнала «Экология и жизнь»А. Самсонов
www.ronl.ru
(Назад) (Cкачать работу)
Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!
Растворы Растворами называются термодинамически устойчивые гомогенные системы, состоящие из двух и более веществ, а также продуктов их взаимодействия между собой.
Вещества, образующие раствор, называются иначе его компонентами. Их состав и концентрация в растворе могут изменяться в пределах ограниченных взаимной растворимостью.
Характерной особенностью растворов является то, что составляющие их компоненты присутствуют в них в виде отдельных молекул или ионов, которые равномерно распределяются по всему объему системы. В связи с этим в растворах отсутствует поверхность раздела между веществами и не протекают поверхностные явления, приводящие к значительному увеличению внутренней энергии. Такие растворы называются иначе истинными. Они являются термодинамически устойчивыми, образуются самопроизвольно и могут существовать неограниченно долгое время, если не изменять их количественный состав и условия хранения.
Истинные растворы в зависимости от своего агрегатного состояния подразделяются на газообразные, твердые и жидкие.
Газообразные растворы называются иначе газовыми смесями. Примером такой смеси может служить земная атмосфера, состоящая, главным образом, из азота и кислорода, а также некоторых других веществ, присутствующих в значительно меньших количествах (углекислого газа, водяных паров, благородных газов и т.д.).
Твердыми растворами являются многие сплавы металлов, некоторые неорганические минералы. Образуются твердые растворы при кристаллизации расплавов.
Наибольшее распространение в природе и в хозяйственной деятельности человека получили жидкие растворы. Они, в свою очередь, подразделяются на растворы газов в жидкостях, жидкостей в жидкостях и растворы твердых веществ в жидкостях.
Различают также растворы низкомолекулярных соединений (НМС) и растворы высокомолекулярных соединений (ВМС). Последние по многим свойствам значительно отличаются от растворов НМС и поэтому будут рассмотрены отдельно.
При характеристике составных частей жидких растворов используют понятия растворитель и растворенное вещество. Однако, провести между ними четкую разграничительную линию удается не всегда. Легче всего это сделать, если образующие раствор вещества, в индивидуальном виде находятся в разных агрегатных состояниях. В этом случае растворителем всегда считается то вещество, которое при тех же условиях, что и получившийся раствор, является жидкостью. Твердые и газообразные вещества, входящие в состав такого раствора, называются растворенными веществами.
При образовании раствора из двух смешивающихся жидкостей растворителем чаще всего называют то вещество, которое присутствует в растворе в бóльших количествах, или же по взаимной договоренности какое-то конкретное вещество (например, Н2О), независимо от его содержания в системе.
К твердым растворам и газовым смесям понятия растворитель и растворенное вещество не применяют.
Жидкие растворы, в которых в качестве растворителя выступает Н2О, называются водными. Если растворителем является какая-то другая жидкость - неводными.
Для медицины наибольшее значение имеют водные растворы, т.к. Н2О является универсальным растворителем для веществ самой различной природы и составляет основную часть внутренней среды человеческого организма. В зависимости от возраста человека на долю воды в его теле может приходиться от 80 до 50% по массе. При этом важнейшие биологические жидкости (кровь, лимфа, моча, слюна, пот и т.д.) содержат в своем составе различные растворенные вещества: неорганические соли, белки, углеводы, аминокислоты и другие гетеро- и полифункциональные органические соединения. В водной среде в живых организмах протекают многочисленные биохимические реакции. Усваивание пищи связано с переходом питательных веществ в растворенное состояние. Это облегчает их дальнейшую транспортировку биологическими жидкостями к органам и тканям. Выведение из организма метаболитов также осуществляется путем перевода их в растворенное состояние. Физические свойства Н2О и строение ее молекул При комнатных условиях чистая вода - жидкость без запаха и вкуса. Температура кипения Н2О (при р=101,325 кПа) равна 100оС, температура замерзания 0оС. В тонком слое вода бесцветна, однако при толщине более двух метров приобретает голубоватый оттенок. Вода является хорошим растворителем для многих веществ, поэтому чистой Н2О в природе нет. Она всегда содержит многочисленные примеси растворенных веществ. Для очистки от них воду доводят до кипения, а образовавшиеся при этом водяные пары путем охлаждения вновь конденсируют в жидкость. Этот процесс называют «перегонкой», а получившуюся Н2О - дистиллированной водой.
Молекулы Н2О состоят из двух атомов водорода Н и одного атома кислорода О, соединенных между собой ковалентными полярными связями. На атоме О, как на более электроотрицательном сосредоточен частичный отрицательный заряд |δ-|
Отклонение угла связи от тетраэдрического связано с взаимным отталкиванием двух неподеленных электронных пар, находящихся на гибридных орбиталях атома кислорода.
Рис. 1 - Схема образования молекулы Н2О
Вследствие своего строения молекула Н2О обладает значительным дипольным моментом (рис. 17) и является сильнополярной. В связи с этим вода имеет большую диэлектрическую проницаемость и в ее среде значительно уменьшаются (приблизительно в 80 раз) кулоновские силы взаимодействия между электрическими зарядами. Это приводит к тому, что прочность связей в ионной кристаллической решетке, а также между полярными молекулами твердых и жидких веществ и между атомами в самих этих молекулах тоже понижается ≈ в 80 раз.
d
≠ 0
Рис. 2 - Дипольный момент молекулы Н2О
Благодаря этому свойству вода хорошо растворяет вещества, образованные ионными и ковалентными полярными связями, вызывая при этом электролитическую диссоциацию электролитов и реакции гидролитического разложения веществ.
Вода по сравнению с другими водородными соединениями элементов IVA - VIIA групп (HCl, h3S, Ch5, HF, Nh4) имеет аномально высокие температуры кипения и плавления, обладает высокой теплоемкостью и удельной теплотой испарения.
Эти свойства воды объясняются способностью ее молекул образовывать друг с другом прочные водородные связи. Причем одна молекула Н2О может образовать водородные связи с четырьмя другими молекулами воды. Это создает возможность построения сложной трехмерной пространственной структуры из ассоциированных молекул Н2О, в которой имеется много пустот. Благодаря этому плотность льда меньше плотности жидкой воды, т.к. в последнем случае вследствие теплового движения происходит частичное разрушение водородных связей и образовавшиеся свободные молекулы воды могут заполнять имеющиеся полости, увеличивая тем самым плотность жидкости.
Водородные связи молекулы Н2О могут образовывать не только между собой, но и с полярными функциональными группами органических веществ: спиртов, аминов, карбоновых кислот, различных гетеро- и полифункциональных соединений, способствуя тем самым их растворению.
Таким образом, вода является универсальным растворителем и способна растворять в себе как многочисленные неорганические, так и органические соединения. Механизм образования растворов Растворы занимают промежуточное положение между механическими смесями веществ и индивидуальными химическими соединениями, обладая определенными свойствами и тех и других систем и в тоже время значительно отличаясь от каждой из них.
Так по сравнению со смесями растворы являются более однородными и в любой своей части обладают одинаковыми физическими свойствами и химическим составом, как и индивидуальные соединения.
В то же время многие вещества в растворах, как и в механических смесях, сохраняют неизменными часть свойств, присущих им в чистом виде. В отличие от индивидуальных соединений растворы
referat.co
(Назад) (Cкачать работу)
Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!
РАСТВОРЫ. РАСТВОРИМОСТЬЕсли в сосуд с водой поместить кристаллы поваренной соли, сахара или перманганата калия (марганцовки), то мы можем наблюдать, как количество твердого вещества постепенно уменьшается. При этом вода, в которую были добавлены кристаллы, приобретает новые свойства: у нее появляется соленый или сладкий вкус (в случае марганцовки появляется малиновая окраска), изменяется плотность, температура замерзания и т.д. Полученные жидкости уже нельзя назвать водой, даже если они неотличимы от воды по внешнему виду (как в случае с солью и сахаром). Это – растворы. Растворы - однородная многокомпонентная система, состоящая из растворителя, растворённых веществ и продуктов их взаимодействия.Растворы не отстаиваются и сохранятся все время однородными. Если раствор профильтровать через самый плотный фильтр, то ни соль, ни сахар, ни марганцевокислый калий не удается отделить от воды. Следовательно, эти вещества в воде раздроблены до наиболее мелких частиц – молекул. Молекулы могут опять собраться в кристаллы только тогда, когда мы выпарим воду. Таким образом, растворы – это молекулярные смеси.
По агрегатному состоянию растворы могут быть жидкими (морская вода), газообразными (воздух) или твёрдыми (многие сплавы металлов).Размеры частиц в истинных растворах - менее 10-9 м (порядка размеров молекул).
Любой раствор состоит из растворителя и растворенного вещества. В приведенных примерах растворителем является вода. Но не всегда обязательно вода является растворителем. Например, можно получить раствор воды в серной кислоте. Здесь растворителем будет кислота. Можно приготовить и растворы кислоты в воде.
Из двух или нескольких компонентов раствора растворителем является тот, который взят в большем количестве и имеет то же агрегатное состояние, что и раствор в целом.
** Существуют растворы не только жидкие, но и газовые и даже твердые. Например, воздух – раствор кислорода и еще нескольких газов в азоте. Сплавы металлов представляют собой твердые растворы металлов друг в друге. Газы, как мы уже знаем, способны растворяться в воде.
Давайте разберемся в том, как происходит растворение веществ. Для этого понаблюдаем, как растворяется добавленный в чай сахар. Если чай холодный, то сахар растворяется медленно. Наоборот, если чай горячий и размешивается ложечкой, то растворение происходит быстро.
Попадая в воду, молекулы сахара, находящиеся на поверхности кристаллов сахарного песка, образуют с молекулами воды донорно-акцепторные (водородные) связи. При этом с одной молекулой сахара связывается несколько молекул воды. Тепловое движение молекул воды заставляет связанные с ними молекулы сахара отрываться от кристалла и переходить в толщу молекул растворителя (рис. 7-2).
Рис. 7-2. Молекулы сахара (белые кружочки), находящиеся на поверхности кристалла сахара, окружены молекулами воды (темные кружочки). Между молекулами сахара и воды возникают водородные связи, благодаря которым молекулы сахара отрываются от поверхности кристалла. Молекулы воды, не связанные с молекулами сахара, на рисунке не показаны.
Молекулы сахара, перешедшие из кристалла в раствор, могут передвигаться по всему объему раствора вместе с молекулами воды благодаря тепловому движению. Это явление называется диффузией. Диффузия происходит медленно, поэтому около поверхности кристаллов находится избыток уже оторванных от кристалла, но еще не диффундировавших в раствор молекул сахара.
Они мешают новым молекулам воды подойти к поверхности кристалла, чтобы связаться с его молекулами водородными связями. Если раствор перемешивать, то диффузия происходит интенсивнее и растворение сахара идет быстрее. Молекулы сахара распределяются равномерно и раствор становится одинаково сладким по всему объему.
Количество молекул, способных перейти в раствор, часто ограничено. Молекулы вещества не только покидают кристалл, но и вновь присоединяются к кристаллу из раствора. Пока кристаллов относительно немного, больше молекул переходит в раствор, чем возвращается из него – идет растворение. Но если растворитель находится в контакте с большим количеством кристаллов, то число уходящих и возвращающихся молекул становится одинаковым и для внешнего наблюдателя растворение прекращается.
Ненасыщенные, насыщенные и перенасыщенные растворыЕсли молекулярные или ионные частицы, распределённые в жидком растворе присутствуют в нём в таком количестве, что при данных условиях не происходит дальнейшего растворения вещества, раствор называется насыщенным. (Например, если поместить 50 г NaCl в 100 г h3O, то при 20ºC растворится только 36 г соли).
Насыщенным называется раствор, который находится в динамическом равновесии с избытком растворённого вещества.
Поместив в 100 г воды при 20ºC меньше 36 г NaCl мы получим ненасыщенный раствор.
При нагревании смеси соли с водой до 100C произойдёт растворение 39,8 г NaCl в 100 г воды. Если теперь удалить из раствора нерастворившуюся соль, а раствор осторожно охладить до 20ºC, избыточное количество соли не всегда выпадает в осадок. В этом случае мы имеем дело с перенасыщенным раствором. Перенасыщенные растворы очень неустойчивы. Помешивание, встряхивание, добавление крупинок соли может вызвать кристаллизацию избытка соли и переход в насыщенное устойчивое состояние.
Ненасыщенный раствор - раствор, содержащий меньше вещества, чем в насыщенном.
Перенасыщенный раствор - раствор, содержащий больше вещества, чем в насыщенном.
Растворение как физико-химический процесс
Растворы образуются при взаимодействии растворителя и растворённого вещества. Процесс взаимодействия растворителя и растворённого вещества называется сольватацией (если растворителем является вода - гидратацией).
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 различными тепловыми явлениями.
Энергетической характеристикой растворения является теплота образования раствора, рассматриваемая как алгебраическая сумма тепловых эффектов всех эндо- и экзотермических стадий процесса. Наиболее значительными среди них являются:
– поглощающие тепло процессы - разрушение кристаллической решётки, разрывы химических связей в молекулах;
– выделяющие тепло процессы - образование продуктов взаимодействия растворённого вещества с растворителем (гидраты) и др.
Если энергия разрушения кристаллической решетки меньше энергии гидратации растворённого вещества, то растворение идёт с выделением теплоты (наблюдается разогревание). Так, растворение NaOH – экзотермический процесс: на разрушение кристаллической решётки тратится 884 кДж/моль, а при образовании гидратированных ионов Na+ и OH- выделяется соответственно 422 и 510 кДж/моль.
Если энергия кристаллической решётки больше энергии гидратации, то растворение протекает с поглощением теплоты (при приготовлении водного раствора Nh5NO3 наблюдается понижение температуры).
Растворимость
Мы говорим: "сахар растворяется в воде хорошо" или "мел плохо растворяется в воде". Но можно и количественно оценить способность того или иного вещества к растворению или, другими словами, растворимость вещества.
Растворимостью – называется способность вещества растворяться в том или ином растворителе. Мерой растворимости вещества при данных условиях является его содержание в насыщенном растворе.
Если в 100 г воды растворяется более 10 г вещества, то такое вещество называют хорошо растворимым. Если растворяется менее 1 г вещества – вещество малорастворимо. Наконец, вещество считают практически нерастворимым, если в раствор переходит менее 0,01 г вещества. Абсолютно нерастворимых веществ не бывает.
Растворимость, выраженная при помощи массы вещества, которое может раствориться в 100 г воды при данной температуре, называют также коэффициентом растворимости.
В качестве примера приведем растворимость (в граммах вещества на 100 г воды при комнатной температуре) нескольких веществ: твердых, жидких и газообразных, среди которых многие
referat.co
