Виды растворов. Причины образования водных растворов

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Костромской государственный университет имени Н.А. Некрасова»

Кафедра химии

 

 

«Пересыщенные растворы»

 

 

Выполнила:

студентка 2 курса 1 группы

направления подготовки

химия магистратура

факультета естествознания

Вариошкина И.О.

Проверил:

д.т.н, профессор кафедры химии

Акаев О.П.

 

Кострома 2014

План:

1. Виды растворов. Причины образования водных растворов.

2. Водные растворы.

3.Силы Ван-дер-Ваальса "ориентационные, индукционные, дисперсионные ".

4. Водородная связь.

5. Растворение

 

Виды растворов. Причины образования водных растворов.

 

РАСТВОРЫ, гомогенные системы, состоящие из двух или более компонентов, состав которых в определенных пределах может непрерывно изменяться. От смесей растворы отличаются своей однородностью и возрастанием энтропии системы при смешении компонентов. По агрегатному состоянию различают растворы газовые (газовые смеси), жидкие и твердые. Обычно, если особо не оговаривается, термин "растворы" относят к жидким системам. Содержание компонента в растворе характеризуется его концентрацией. При этом преобладающий компонент обычно называют растворителем, остальные компоненты-растворенными веществами; такое деление, однако, является условным. При определенных температуре и давлении растворение одного компонента в другом происходит в некоторых пределах изменения концентрации, т.е. смешение является ограниченным. Равновесный раствор, в котором при ограниченной растворимости компонентов и заданных внешних условиях концентрация одного из компонентов максимальна, называется насыщенным, а его концентрация называется растворимостью компонента. Зависимость растворимости от температуры и давления обычно изображают графически в виде диаграмм растворимости. При концентрациях растворенного вещества, меньших его растворимости, растворы называют ненасыщенным. Раствор, переохлажденный таким образом, что концентрация растворенного вещества превышает его растворимость, называется пересыщенным. Пересыщенные растворы метастабильны, при внесении затравки или перемешивании возможно самопроизвольное выделение избытка пересыщающего компонента, что ведет к образованию новой жидкой или твердой фазы

По наличию или отсутствию электролитической диссоциации молекул растворенных веществ различают два основных класса растворов: растворы электролитов и растворы неэлектролитов. В особый класс выделяют также растворы высокомолекулярные соединений, свойства которых существенно отличаются от свойств растворов низкомолекулярных веществ из-за больших различий в размерах молекул растворенного вещества и растворителя. Классификация растворов может быть основана также и на других признаках. Так, в зависимости от концентрации растворенного вещества различают растворы концентрированные и разбавленные; в зависимости от природы растворителя выделяют водные и неводные растворы; в зависимости от концентрации ионов Н⁺ и ОН ^- - кислые, нейтральные и щелочные.

Термодинамические свойства растворов определяются взаимодействием между молекулами компонентов и характеризуют растворы в целом. Доля, вносимая данным компонентом в то или иное свойство раствора, определяется парциальной молярной величиной компонента. Особое значение имеет парциальная молярная энергия Гиббса - химический потенциал компонента, который позволяет выражать условия фазового и хим. равновесий в растворах. Важнейшее свойство растворов - зависимость химических потенциалов компонентов от состава.

Межмолекулярное взаимодействие и тепловое движение приводят к образованию флуктуации концентрации - короткоживущих группировок молекул, обусловливающих отклонение локального микроскопического состава раствора от макроскопического. Если компоненты близки по химическому строению, размерам и характеру взаимодействия, структура раствора принципиально не отличается от строения чистых жидкостей. При наличии специфических взаимодействий растворенные вещества могут образовывать устойчивые комплексы с растворителем как постоянного, так и переменного состава. В ряде растворов взаимодействие молекул растворенного вещества с молекулами растворителя сопровождается противоположным процессом - диссоциацией молекул растворенного вещества.

При малых концентрациях растворенных веществ в растворах сохраняется структура, характерная для чистого растворителя, с увеличением концентрации структура растворов изменяется. Например, у водных растворов электролитов ионы больших размеров разрушают структуру растворителя, а ионы меньших размеров ее упорядочивают. Установление связи свойств растворов с характером межмолекулярного взаимодействия или макроскопическими свойствами чистых компонентов составляет проблему теории растворов.

Водные растворы.

Если мы будем облучать не чистую воду, а раствор какого-либо соединения, то радикалы Н и ОН вместо того, чтобы разрушать молекулярные продукты радиолиза воды, будут реагировать с молекулами растворенного соединения, вызывая различные его превращения - окисление, восстановление, деструкцию, полимеризацию и т.д. Изучение превращений различных соединений и позволило узнать, что при радиолизе воды образуются радикалы Н и ОН.

Радикал гидроксила ОН экспериментально обнаружил английский ученый Ф.Дейнтон в 1948 г. Он облучал водные растворы акрилонитрила СН2 = СНСN. Молекула акрилонитрила не имеет в своем составе атомов кислорода. При облучении молекулы акрилонитрила полимеризуются в полиакрилонитрил, и в нем появляется гидроксильная группа - группа ОН. Она может появиться только в том случае, если образуется из воды. Аналогичным доказательством служит и образование фенола из бензола при облучении водного раствора бензола

/\\ /\\ _ OH
¦¦ ¦ + 2 OH -> ¦¦ ¦ + H₂ O.
\// \//

Радикал Н - атомарный водород - был обнаружен только методом электронного парамагнитного резонанса. Недавно этим методом было подтверждено также образование радикала гидроксила.

Атомарный водород является сильным восстановителем (способен легко отдавать свой электрон), а радикал гидроксила - окислителем (энергично отнимает электрон у других соединений), поэтому они оказывают противоположное воздействие на растворенные вещества, как это можно видеть на примере ионов железа и церия:

Fe₂ ⁺ + ОН -> Fe₃ ⁺ + OH-, Ce₃ ⁺ + OH -> Ce₄ ⁺ + OH-;

Fe₃ ⁺ + H => Fe₂ ⁺ + H⁺, Ce₄ ⁺ + H -> Ce₃ ⁺ + H⁺.

Таким образом, превращение соединений в разбавленных растворах вызывается продуктами радиолиза воды. Этот процесс принято называть косвенным воздействием излучения. В концентрированных растворах превращение растворенного соединения может происходить также и в результате "прямого" действия излучения, когда оно взаимодействует непосредственно с молекулами растворенного вещества, вызывая их ионизацию, которая, в свою очередь приводит к появлению соответствующих радикальных и молекулярных продуктов. В очень разбавленных растворах преобладает косвенное воздействие, а в концентрированных - наблюдаются оба эффекта. Прямое действие происходит в растворах любой концентрации, но его величина пропорциональна электронной доле, т.е. отношению числа электронов данного вещества к числу электронов во всей системе. В разбавленных растворах электронная доля пропорционально концентрации растворенного вещества, а в концентрированных растворах между электронной долей и концентрацией пропорциональности нет. Электронная доля рассчитывается следующим образом. Например, в 40%-ном водном растворе серной кислоты содержится 5.4 моля H2SO4 и 43.5 моля Н2О. Молекула кислоты имеет 50 электронов, молекула воды - 10. Следовательно, общее количество молей электронов (1 моль электронов содержит 6.02o10^23 электронов, как и грамм-моль любого вещества - молекул) составляет 50o5.4 + 10o43.5 = 705. Отсюда по определению электронная доля воды составляет 435:705 = 0.617, а кислоты - 270:750 = 0.393.

Различными исследователями были изучены превращения очень многих соединений в водных растворах и установлены основные закономерности. В разбавленных растворах радиационно-химические выходы растворенных веществ малы. Для большинства соединений, превращения которых идут не по цепному механизму, выходы составляют 4-5 ионов или молекул на 100 эв. В более концентрированных растворах они несколько повышаются, достигая 12 ионов или молекул на 100 эв. Это увеличение происходит вследствие того, что в концентрированных растворах с растворенным соединением могут реагировать и возбужденные излучением молекулы воды, (Н2О), которые в разбавленных растворах теряют свою энергию раньше, чем столкнутся и смогут вступить в реакцию с молекулами растворенных соединений. В случае воды и водных растворов коэффициент полезного использования энергии излучения, таким образом, очень мал - не более 10%. Поэтому для промышленности могут иметь значение только цепные радиационно - химические процессы, либо такие процессы, когда образуется соединение, которое невозможно получить другими методами или которое получается другими методами, но с большими затратами энергии. В качестве примеров подобных процессов можно привести окисление бензола в фенол, этилена в уксусный альдегид и др.