Способы выражения состава растворов

1. Массовая доля – отношение (обычно процентное) массы растворенного вещества к массе раствора. Например, 15% (масс.) водный раствор NaCl на 100 единиц массы содержит 15 единиц массы NaCl и 85 единиц массы Н₂О.

.

2. Мольная доля – отношение химического количества растворенного вещества (или растворителя) к сумме химических количеств всех веществ, составляющих раствор. В случае раствора одного вещества в другом мольная доля растворенного вещества (N₂) равна

,

а мольная доля растворителя (N₁)

,

где n₁ и n₂ – соответственно количество растворителя и растворенного вещества.

3. Молярная концентрация (молярность) – отношение химического количества растворенного вещества к объему раствора. Обычно молярность обозначается С_м или (после численного значения молярности) М. Так, 2 М Н₂SO₄ означает раствор, в каждом литре которого содержится два моля серной кислоты, то есть С_м = 2 моль/дм³.

.

4. Моляльность (моляльная концентрация) – отношение химического количества растворенного вещества к массе растворителя. Обычно моляльность обозначается буквой m. Так, для раствора H₂SO₄ запись m=2 моль/кг (Н₂О) означает, что в этом растворе на каждый килограмм растворителя (воды) приходится два моля Н₂SO₄. Моляльность раствора в отличие от молярности не изменяется при изменении температуры.

.

5. Нормальность ( нормальная или эквивалентная концентрация ) – отношение числа эквивалентов растворенного вещества к объему раствора. Концентрация, выраженная этим способом, обозначается С_n или (после численного значения нормальности) буквой н. Так, 2 н. Н₂SO₄ означает раствор, в каждом литре которого содержится 2 эквивалента Н₂SO₄, то есть 98 г Н₂SO₄.

.

 

Эквивалент кислоты – это её количество, содержащее один эквивалент водорода, способного замещаться металлом.

Эквивалент основания – это его количество, которые реагирует с эквивалентами кислот.

Эквивалент соли может быть вычислен как частное от деления ее молярной массы на произведение числа ионов металла и его валентности:

Пользуясь растворами, состав которых выражен нормальностью, легко рассчитать, в каких объемных отношениях они должны быть смешаны, чтобы растворенные вещества прореагировали без остатка. Пусть V₁ раствора вещества 1 с нормальностью N₁ реагирует с V₂ раствора вещества 2 с нормальностью N₂. Это означает, что в реакцию вступило N₁V₁ эквивалентов вещества 1 и N₂V₂ эквивалентов вещества 2. Но вещества реагируют в эквивалентных количествах, следовательно

N₁V₁ = N₂V₂ и

Т.е. объемы растворов реагирующих веществ обратно пропорциональны их нормальностям.

 

Первый закон Рауля

Над каждой жидкостью (растворителем или раствором) устанавливается определенное давление пара, насыщающего пространство. Это давление характеризует состояние равновесия между жидкой фазой и находящимися над нею молекулами растворителя.

Рассмотрим растворы нелетучих веществ, такие, над которыми давление пара обусловлено определенной концентрацией молекул растворителя, а концентрация молекул растворенного вещества практически равна нулю или имеет ничтожно малую величину, которой можно пренебречь. Давление пара над такими растворами меньше, чем давление пара над чистыми растворителями при той же температуре.

Поверхность раствора, в отличие от поверхности чистого растворителя, частично занята молекулами нелетучего растворенного вещества. Это приводит к уменьшению числа молекул растворителя, испаряющихся в единицу времени. Следует также учитывать силы сольватационного воздействия между молекулами растворителя и растворенного вещества, которые могут быть прочнее сил сцепления молекул растворителя друг с другом.

Таким образом, добавление к растворителю любого растворимого в нем нелетучего вещества и образование раствора вызывает нарушение состояния равновесия между растворителем и его насыщенным паром и установление нового равновесия, при котором давление пара раствора будет несколько меньше давления пара растворителя при той же температуре.

Если обозначить давление пара растворителя через p₀, давление пара раствора через p, то разность p₀ – p = p показывает величину понижения давления пара. Отношение этой разности к давлению пара растворителя по-

казывает относительное понижение давления пара растворителя

или .

Согласно Первому закону Рауля относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором равно мольной доле растворенного вещества:

или ,

где n₂ и n₁ – количества растворенного вещества и растворителя, соответственно.

После некоторых преобразований закон Рауля можно записать и таком виде:

и .

 

Второй закон Рауля

Наряду с понижением давления пара изменяются также температуры кипения и замерзания указанных растворов. Растворы кипят при более высокой температуре, а замерзают – при более низкой, по сравнению с соответствующими температурами для чистого растворителя.

При кипении давление пара жидкости становится равным внешнему давлению. Из-за понижения давления пара раствора его надо нагреть до более высокой температуры, чем растворитель, чтобы давление его пара достигло внешнего давления и раствор мог закипеть.

Для выделения кристаллов льда из раствора последний должен быть охлажден до некоторой температуры, лежащей ниже температуры замерзания воды.

Таким образом, при растворении в воде вещества пределы жидкого состояния раствора расширены по сравнению с растворителем на число градусов, равное сумме повышения температуры кипения раствора Dt_кип. и понижения его температуры замерзания Dt_зам.. Значения величин Dt_кип. и Dt_зам пропорциональны моляльности раствора. Одномоляльные растворы различных веществ (неэлектролитов) характеризуются определенной для данного растворителя величиной повышения температуры кипения и, соответственно, понижения температуры замерзания.

Повышение температуры кипения одномоляльного раствора называется эбулиоскопической постоянной растворителя Е_кип, а понижение температуры замерзания – криоскопической постоянной растворителя Е_зам. Таким образом, в соответствии со вторым законом Рауля повышение температуры кипения или понижение температуры замерзания разбавленных растворов неэлектролитов пропорциональны числу частиц растворенного вещества и не зависят от его природы:

Dt_кип = Е_кип · m,

Dt_зам = Е_зам · m;

где Е_кип и Е_зам – коэффициенты пропорциональности, соответственно - эбулиоскопическая и криоскопическая константы, зависящие только от природы растворителя. Для воды Е_зам = 1,86; Е_кип = 0,516; m – моляльность раствора.

Для случая, когда g г неэлектролита, молярная масса которого М, растворены в А г растворителя можно записать:

и ; .

Из этого выражения видно, что в соответствии с физическим смыслом эмбулиоскопической и криоскопической констант

Dt_кип = Е_кип. и Dt_зам. = Е_зам, когда g = М и А = 1000 г.

 

Осмотическое давление

Если раствор и растворитель разделены полупроницаемой (т.е. проницаемой только для растворителя) мембраной, то растворитель проникает в раствор, преодолевая избыточное давление, до достижения равновесного его значения – осмотического давления.

Осмотическое давление не зависит от природы растворителя и растворенного вещества, оно пропорционально молярной концентрации раствора С_М и абсолютной температуре Т:

р _осм = С_М ×R×T,

где R – универсальная газовая постоянная. Подставляя в это выражение С_М=n/V, где n – химическое количество растворенного вещества, моль; V – объем раствора, л, получаем уравнение, аналогичное уравнению газового состояния:

р_осм×V = n×R×T.

Закон Вант-Гоффа: осмотическое давление численно равно тому давлению, которое оказывало бы растворенное вещество, если бы оно при данной температуре находилось в состоянии идеального газа и занимало объем равный объему расвтора.

При определении молярной массы растворенного вещества по величине осмотического давления используют соотношение:

,

где m₂ масса растворенного вещества, г; V – объем раствора, л.

 

Литература

1. Глинка Н.Л. Общая химия. – М.: Химия, 1978. – С. 202-227.

2. Шиманович И.Е., Павлович М.Л., Тикавый В.Ф., Малашко П.М. Общая химия в формулах определениях, схемах. – Мн.: Унiверсiтэцкае, 1996. – С. 115-121.

3. Воробьев В.К., Елисеев С.Ю., Врублевский А.В. Практические и самостоятельные работы по химии. – Мн.: УП «Донарит», 2005. – С. 46-52.

Тема 7. Водные растворы электролитов

 

Рассматриваемые вопросы:

1. Электролитическая диссоциация и причины ее возникновения.

2. Сильные и слабые электролиты.

3. Гидролиз солей.

 

Электролитами называются вещества, которые в расплавленном или растворенном состоянии проводят электрический ток.

Теорию электролитической диссоциации разработал Сванте Аррениус. Предложенная им теория объяснила поведение и многие свойства электролитов.

Согласно этой теории молекулы электролита в воде или другой среде, характеризующейся большой диэлектрической проницаемостью*, распадаются на ионы – положительные (катионы) и отрицательные (анионы).

Процесс распада вещества на ионы получил название электролитической диссоциации. Для слабых электролитов она протекает обратимо и выражается следующим примерным уравнением

КА <=> К⁺+А^-.

К электролитам относятся вещества, в молекулах которых атомы связаны сильно полярной или ионной химической связью.

По современным представлениям электролитическая диссоциация в растворе происходит в результате сложного физико–химического взаимодействия молекул электролита с полярными молекулами растворителя.

Взаимодействие ионов с полярными молекулами растворителя называется сольватацией (для водных растворов - гидратацией) ионов. Сольватация приводит к образованию в растворе ассоциаций между ионами (катионами и анионами) и молекулами растворителя. Процесс растворения вещества К⁺А^- в воде, являющегося соединением с типичной ионной связью, может быть записан следующим образом:

.

твердое жидкий раствор

вещество растворитель

 

Электролитическая диссоциация полярных молекул (КА) в растворе происходит вследствие ослабления связи, вызванного действием полярных молекул растворителя:

КА + хН₂О <=> К⁺(Н₂О)_к + А^-(Н₂О)_а.

 

Ассоциации К⁺(Н₂О)_к и А^-(Н₂О)_а представляют собой гидратированные катионы и анионы.

 

 

Немаловажное значение имеет величина диэлектрической проницаемости растворителя: чем больше последняя, тем больше ослабляются связи между ионами электролита. Это вытекает из формулы закона Кулона , где F – сила взаимодействия между зарядами l₁ и l₂, r расстояние между центрами ионов, ε – диэлектрическая проницаемость растворителя. Для воды при 20° ε = 80, то есть сила притяжения ионов в водном растворе ослабляется в 80 раз.

Если в растворе дополнительно могут возникнуть еще и водородные связи между молекулами растворителя и атомом водорода растворенного вещества, то процесс диссоциации протекает еще более эффективно.

С точки зрения теории электролитической диссоциации кислотой называется соединение, диссоциирующее в водном растворе с образованием гидратированных водородных ионов (гидроксоний-ионов) и кислотного остатка:

,

где Н₃О⁺ - ион гидроксония.

Все общие свойства кислот (кислый вкус, способность изменять окраску индикаторов и т.д.) принадлежат иону гидроксония.

Основанием называется соединение, диссоциирующее в водном растворе с образованием отрицательных гидроксид–ионов ОН^-:

МеОН + хН₂О <=> Ме⁺(Н₂О)_к + ОН^- + (х-к)Н₂О,

где Ме⁺ - одновалентный катион.

Все общие свойства растворимых оснований (щелочно–мыльный вкус, способность определенным образом изменять окраску индикаторов и т.д.) принадлежат гидроксид–иону.

С точки зрения электролитической диссоциации соли можно рассматривать как продукт взаимодействия кислоты и основания:

х(кислота) + у(основание) → соль + вода,

где х и у – переменное количество эквивалентов взаимодействующих между собой кислот и оснований.

В зависимости от соотношения х и у различают следующие виды солей, диссоциирующих в водных растворах по схеме:

при х > у – кислые соли

2H₂SO₄ + Mg(OH)₂ ® Mg(HSO₄)₂ + 2H₂O;

Mg(HSO₄)₂ <=> Mg²⁺ + 2HSO₄^-;

 

при х = у – средние (нормальные) соли

H₂SO₄ + Mg(OH)₂ ® MgSO₄ + 2H₂O;

MgSO₄ <=> Mg²⁺ + SO₄^2-;

 

при х < у – основные соли

H₂SO₄ + 2Mg(OH)₂ ® (MgOH)₂SO₄ + 2H₂O;

(MgOH)₂SO₄ <=> 2MgOH⁺ + SO₄^2-;

Как правило, все соли относятся к сильным электролитам.

Сильные электролиты в водных растворах полностью диссоциированы на ионы.

В воде, являющейся растворителем, статистически равномерно распределяются полностью гидратированные катионы и анионы сильного электролита. Электростатическое взаимодействие между ионами ослабляется до минимума большими расстояниями между ними и гидратными оболочками, выполняющими экранирующую роль.

В отличие от сильных электролитов диссоциация слабых электролитов протекает обратимо и устанавливается равновесие.

Количественно процесс диссоциации может быть охарактеризован рядом величин: степенью электролитической диссоциации a, константой электролитической диссоциации К и др.

Степень электролитической диссоциации a – это отношение числа молекул, распавшихся на ионы, к общему числу молекул растворенного вещества в растворе.

a может измеряться в долях единицы или в процентах. a = 0, если диссоциация отсутствует; a = 1 или a = 100 % при полной диссоциации электролита.

К процессу электролитической диссоциации, как к обратимому процессу, можно применять принцип Ле Шателье и выявить влияние внешних факторов на состояние равновесия, приводящее к изменению значения a.

Для смещения равновесия

К⁺А^- + хН₂О <=> К⁺(Н₂О)_к + А^-(Н₂О)_а

слева направо, то есть в сторону диссоциации, необходимо увеличить массу растворителя. Это означает, что:

1. диссоциация слабых электролитов проходит эффективнее в разбавленных растворах, чем в концентрированных. Иными словами, a возрастает с уменьшением концентрации электролита в растворе и принимает максимальное значение a = 1 в бесконечно разбавленном растворе.

2. так как процесс диссоциации является эндотермическим, то степень диссоциации слабого электролита в водных растворах будет увеличиваться с повышением температуры.

 

Константой электролитической диссоциации К называется постоянная химического равновесия в растворе электролита:

,

где [К⁺], [A^-] и [KA] - концентрации в растворе ионов и (в г-ион/л) и недиссоциированного соединения КА (в моль/л).

Чем больше К, тем электролит лучше распадается на ионы. Для данного электролита значение К постоянно при определенной температуре и в отличие от a не зависит от концентрации.

Связь между константой К и степенью диссоциации a может быть найдена следующим образом. Концентрация ионов К⁺ и А^- в растворе равна

[К⁺] = [А^-] = aС,

где С – исходная молярная концентрация; a – степень электролитической диссоциации электролита. Концентрация недиссоциировавших молекул КА в растворе равна

[КА]=(1- a)С.

Откуда .

Данное уравнение выражает закон разбавления Оствальда.

Если a мала, то 1- a ≈ 1 и тогда

.

Видно, что с уменьшением концентрации электролита в растворе степень электролитической диссоциации возрастает.

Диссоциация слабого электролита, молекула которого может диссоциировать не на два, а на большее количество ионов (электролиты с разновалентными ионами), протекает по стадиям (ступенчатая диссоциация). Например, при диссоциации слабой угольной кислоты Н₂СО₃ в водном растворе имеют место следующие равновесия:

I стадия: Н₂СО₃ <=> Н⁺ + НСО₃^-

.

II стадия: НСО₃^- <=> Н⁺ + СО₃^2-

.

Как видно из этих данных, процесс диссоциации слабого электролита с разновалентными ионами определяется главным образом первой ступенью.

Для примера приведем константы электролитической диссоциации некоторых слабых кислот и оснований (25 °С):

СН3СООН	<=>	H+ + CH3COO-	1,76·10-5
NH4OH	<=>	NH4+ + OH-	1,79·10-5
HNO2	<=>	H+ + NO2- (18 °C)	4·10-4
H2S	<=>	H+ + HS-	6·10-8
H3PO4	<=>	H+ + H2PO4-	7,52·10-3
HF	<=>	H+ + F-	6,61·10-4
HCN	<=>	H++CN-	7,9·10-10

 

Ионообменные реакции

Реакции в растворах электролитов, при которых не происходит изменения зарядов ионов, входящих в соединения, называются ионообменными реакциями.

Правило Бертолле: равновесие в ионообменных реакциях смещается в сторону образования наименее диссоциированных соединений.

В соответствии с этим направление реакций ионного обмена определяется следующим эмпирическим правилом: ионные реакции протекают в сторону образования осадков, газов, слабых электролитов, комплексных ионов.

При написании уравнений ионных реакций сильные электролиты пишут в диссоциированном виде, слабые – в недиссоциированном.

Образование осадков:

AgNO₃ + NaCl ® AgCl¯ + NaNO₃

В растворе: Ag⁺ + NO₃^- + Na⁺ + Cl^- ® AgCl¯ + Na⁺ + NO₃^-.

Исключим ионы, которые не взаимодействуют, тогда уравнение имеет вид:

Ag⁺ + Cl^- ® AgCl¯.

Уравнения такого вида называются ионными.

Ионное уравнение получение гидроксида железа запишется следующим образом:

Fe³⁺ + 3OH^- ® Fe(OH)₃¯.

 

Образование газов:

Na₂S + H₂SO₄ ® H₂S­ + Na₂SO₄;

2Na⁺ + S^2- + 2H⁺ + SO₄^2- ® H₂S­ + 2Na⁺ + SO₄^2-;

2H⁺ + S^2- ® H₂S­.

Образование слабых электролитов:

а. образование воды. Реакция, протекающая с образованием воды при взаимодействии ионов водорода (точнее, ионов гидроксония) и гидроксид–ионов, называется реакцией нейтрализации.

NaOH + HCl ® H₂O + NaCl

OH^- + H⁺ ® H₂O

(H₃O⁺ + OH^- ® 2H₂O).

в. образование слабого основания.

NH₄⁺ + Cl^- + K⁺ + OH^- ® NH₄OH + K⁺ + Cl^-

NH₄⁺ + OH^- ® NH₄OH.

с. образование слабой кислоты.

2СH₃COO^- + 2Na⁺ + 2H⁺ + SO₄^2- ® 2CH₃COOH + 3Na⁺ + SO₄^2-

CH₃COO^- + H⁺ ® CH₃COOH.

 

Ионное произведение воды

Процесс электролитической диссоциации воды протекает в две стадии: 1. образование водородных ионов и гидроксид–ионов:

Н₂О <=> Н⁺ + ОН^-

2. гидратация водородного иона с образованием гидроксония–иона:

Н⁺ + Н₂О <=> Н₃О⁺.

Первая стадия этого процесса протекает с поглощением тепла, вторая – с выделением его значительного количества. Поэтому практически все ионы водорода гидратированны и диссоциация воды должна изображаться следующим уравнением:

2Н₂О <=> Н₃О⁺ + ОН^-.

При 22 ^оС степень электролитической диссоциации воды равна 1,8·10^-9, то есть из 555000000 молекул воды диссоциирует одна. Следовательно, вода – очень слабый электролит, и для описания процесса ее диссоциации применим закон действующих масс:

,

где К - константа диссоциации воды.

[Н₃О⁺]·[ОН^-] = К·[Н₂О]²

Так как [Н₂О] = const, то получим:

[Н₃О⁺][ОН^-] = К_w.

Постоянная К_w называется ионным произведением воды.

В 1 л воды, массу которой можно принять равной 1000 г, находится 1000 г/18 г = 55,5 моль вещества (ее молярная концентрация).

Следовательно, при 22 °С концентрации ионов гидроксония и гидроксид–ионов равны:

[Н₃О⁺][ОН^-] = 55,5·1,8·10^-9 = 1,000·10^-7 г-ион/л.

Величина К_w возрастает с повышением температуры, так как при этом увеличивается степень электролитической диссоциации: . При комнатной температуре принимают округленное значение ионного произведения воды 10^-14.

 

Водородный показатель

Водные растворы различных соединений могут давать кислую, щелочную или нейтральную реакцию. Реакция среды зависит от соотношения концентраций ионов гидроксония и гидроксид–ионов в растворе.

Если концентрации этих ионов равны между собой, то есть [Н₃О⁺] = [ОН^-], то реакция среды нейтральная. Следовательно, вода принадлежит к типичным амфотерным соединениям, совмещающим кислотные и основные свойства, выраженные в одинаковой степени.

Если концентрация ионов гидроксония больше концентрации гидроксид–ионов, то есть [Н₃О⁺] > [ОН^-], то реакция среды становится кислой. Кислотность тем выше, чем больше концентрация ионов гидроксония. Если наоборот, концентрация ионов гидроксония меньше концентрации гидроксид–ионов, то есть [Н₃О⁺] < [ОН^-], то реакция среды становится щелочной. Следовательно, по значению концентрации этих ионов можно количественно охарактеризовать реакцию среды.

Кислотность или основность раствора можно выразить, взяв вместо концентрации ионов водорода ее десятичный логарифм. Чтобы избавиться от отрицательной степени в значении концентрации ионов водорода, предложено пользоваться отрицательным значением логарифма величины [Н⁺], названным водородным показателем или рН:

рН = -lg[Н⁺];

В практике принимается K_w = 10^-14 (22 °С), отсюда [Н⁺] = 10^-7 г-ион/л и рН = 7.

Соотношения между реакцией среды, концентрациями ионов и значением водородного показателя получаются следующие:

Нейтральная среда [Н₃О⁺] = [ОН^-] = 10^-7 г-ион/л, рН = 7.

Кислотная среда [Н₃О⁺] > [ОН^-] > 10^-7 г-ион/л, рН < 7.

Щелочная среда [Н₃О⁺] < [ОН^-] < 10^-7 г-ион/л, рН > 7.

Это можно представить в виде схемы:

 

Гидролиз – процесс взаимодействия ионов соли с водой, приводящий к образованию слабого электролита.

Если соль рассматривать как продукт взаимодействия кислоты с основанием, то в зависимости от их силы все соли можно разделить на четыре типа по приведенной схеме.

Таблица: 1

	Кислоты
Сильные	Слабые
Основания	Сильные	I: NaCl, KNO3; pH=7 гидролиз не идет	II: Na2CO3, K2S; рH > 7
Слабые	III: ZnCl2, Al(NO3)3; pН < 7	IV: CH3COONH4, Al2S3

Соли первого типа гидролизу не подвергаются, так как при их взаимодействии с водой слабые электролиты не могут быть получены. В системе Н₂О ↔ Н⁺ + ОН^- не нарушается равновесие. рН в растворах этих солей будет равно 7.

Рассмотрим гидролиз солей оставшихся трех типов. Соли, образованные многоосновными кислотами или многокислотными основаниями, гидролизируются ступенчато, переходя в первой фазе в кислотные или основные соли.

Гидролиз Na₂CO₃:

I ступень 2Na⁺ + CO₃^2- + HOH <=> Na⁺ + HCO₃^- + Na⁺ + OH^-

CO₃^2- + HOH <=> HCO₃^- + OH^-;

II ступень Na⁺ + HCO₃^- + HOH <=> H₂CO₃ + Na⁺ + OH^-

HCO₃^- + HOH <=> H₂CO₃ + OH^-.

При гидролизе Na₂CO₃ и других солей этого типа в растворе накапливаются ионы OH^-, сообщающие ему щелочную реакцию с рН > 7. Более сильно выражена первая ступень гидролиза, чем вторая.

Гидролиз ZnCl₂:

I ступень: Zn²⁺ + 2Cl^- + HOH <=> ZnOH⁺ + Cl^- + H⁺ + Cl^-

Zn²⁺ + HOH <=> ZnOH⁺ + H⁺;

II ступень: ZnOH⁺ + HOH + Cl^- <=> Zn(OH)₂ + H⁺ + Cl^-

ZnOH⁺ + HOH <=> Zn(OH)₂ + H⁺.

При гидролизе ZnCl₂ и других солей этого типа в растворе накапливаются ионы H⁺, сообщающие ему кислотную реакцию с рН < 7.

Гидролиз СН₃СООNH₄:

NH₄ + CH₃COO^- + HOH <=> NH₄OH + CH₃COOH.

Соли этого типа подвергаются гидролизу относительно легко. Реакция и рН раствора определяется относительной силой образующихся оснований и кислот. В рассматриваемом случае константы электролитической диссоциации NH₄OH и CH₃COOH при 25 ºС соответственно равны 1,79·10^-5 и 1,76·10^-5, а поэтому реакция раствора практически нейтральна (рН = 7).

Процесс гидролиза солей количественно может быть охарактеризован с помощью двух величин: степени гидролиза h, константы гидролиза К_гидр.

Степенью гидролиза называется отношение количества молекул соли, подвергшихся гидролизу, к общему количеству молекул соли в растворе.

Очевидно, степень гидролиза h может изменяться в следующих пределах:

гидролиз полный

отсутствует гидролиз

0 £ h £ 1 в долях единицы

0 £ h £ 100 в %

Константа гидролиза определяет состояние химического равновесия в растворе гидролизированной соли.

Например, для равновесного состояния I ступени гидролиза Na₂CO₃ и ZnCl₂ К_гидр выразится уравнениями:

.

В общем случае К_гидр изменяется в следующих пределах:

гидролиз полный

отсутствует гидролиз

0 £ К_гидр £ .

На состояние равновесия гидролиза сильно влияют различные факторы: главным образом концентрация воды в растворе и температура системы.

Как видно из общего уравнения гидролиза

соль + вода <=> основание + кислота

и уравнения константы гидролиза

увеличение концентрации воды (или изменение концентрации соли) в растворе в силу постоянства К_гидр смещает равновесие слева направо. Поэтому разбавленные растворы солей гидролизируются полнее и быстрее, чем концентрированные, и степень гидролиза возрастает с разбавлением раствора.

Изменение температуры также резко влияет на состояние гидролитического равновесия: при повышении температуры степень гидролиза увеличивается, что объясняется резким возрастанием ионного произведения воды.

 

Литература

1. Глинка Н.Л. Общая химия. – М.: Химия, 1978. – С. 228-260.

2. Шиманович И.Е., Павлович М.Л., Тикавый В.Ф., Малашко П.М. Общая химия в формулах определениях, схемах. – Мн.: Унiверсiтэцкае, 1996. – С. 121-136.

3. Воробьев В.К., Елисеев С.Ю., Врублевский А.В. Практические и самостоятельные работы по химии. – Мн.: УП «Донарит», 2005. – С. 52-65.

 

Тема 8. Бинарные жидкие системы

 

Рассматриваемые вопросы:

1. Характеристика жидкого состояния вещества.

2. Давление насыщенного пара бинарных систем.

3. Перегонка жидких смесей. Ректификация.

 

Жидкое состояние

Жидкое состояние является промежуточным между газообразным и твердым. С газами жидкости сближает прежде всего их изотропность (одинаковость физических свойств по всем направлениям) и текучесть (способность легко изменять внешнюю форму под воздействием малых нагрузок). Однако высокая плотность и малая сжимаемость жидкостей приближает их к твердым телам. Способность жидкостей легко изменять свою форму говорит об отсутствии в них жестких сил межмолекулярного взаимодействия. В то же время низкая сжимаемость жидкостей, обусловливающая способность сохранять постоянный при данной температуре объем, указывает на присутствие хотя и не жестких, но все же значительных сил взаимодействия между частицами.

Для каждого агрегатного состояния характерно свое соотношение между потенциальной и кинетической энергиями частиц вещества. У твердых тел средняя потенциальная энергия частиц больше их средней кинетической энергии. Поэтому в твердых телах частицы занимают определенные положения друг относительно друга и лишь колеблются около этих положений. Для газов соотношение энергий обратное, вследствие чего молекулы газа всегда находятся в состоянии хаотического движения, и силы сцепления между молекулами практически отсутствуют, так что газ всегда занимает весь предоставленный ему объем. В случае жидкостей кинетическая и потенциальная энергия частиц приблизительно одинаковые, т.е. частицы связаны друг с другом, но не жестко. Поэтому жидкости текучи, но имеют постоянный при данной температуре объем.

В большинстве жидкостей наблюдается ближний порядок – число ближайших соседей у каждой молекулы и их взаимное расположение приблизительно одинаковы во всем объеме данной жидкости. У жидкостей сильно выражена самодиффузия, т.е. непрерывные переходы молекул с места на место. Физико-химические свойства жидкости зависят от природы образующих ее частиц и от интенсивности их взаимодействия между собой.

Внутренне строение жидкостей выяснено только в самых общих чертах, и до настоящего времени не создано общей теории жидкого состояния. Объясняется это тем, что внутреннее строение жидкостей значительно сложнее внутреннего строения газов и кристаллов. По сравнению с газами жидкости обладают прежде всего во много раз большей плотностью. Расстояния между молекулами в жидкости настолько малы, что свойства жидкости в значительной степени определяются собственным объемом молекул и взаимным притяжением между ними, в то время как в газах в обычных условиях влияние этих факторов незначительно. При малых расстояниях между молекулами имеют значение также их геометрическая форма и полярные свойства. Свойства полярных жидкостей зависят не только от взаимодействия молекулы с молекулой, но и от взаимодействия между отдельными частями разных молекул.

Когда молекулы жидкости обладают полярностью, то, кроме взаимного притяжения между ними, свойственного и неполярным молекулам, проявляется и взаимодействие между разными частями молекул, несущими электрический заряд. Это делает неравноценным различные положения молекул. Так, положение, отвечающее взаимному отталкиванию обоих концов молекул (рис. 8.1. а), будет неустойчивым. Точнее, при сколько-нибудь значительной полярности молекул это положение не сможет возникнуть вследствие взаимного отталкивания молекул уже при сближении их в таком положении. Наоборот, положение, которое отвечает усилению взаимного притяжения между молекулами (рис. 8.1. б), является преимущественным и будет сохраняться более продолжительное время.

Оно соответствует большей

Взаимной связанности

молекул, и образование его

сопровождается выделением

некоторой энергии.

а б Подобный комплекс из

полярных молекул может

содержать не только две

Рис. 8.1 Взаимное положение молекулы, но и большее чис-

полярных молекул в жидкости: ло их. Явление образования

а) – неустойчивое (отталкивание); таких комплексов получило

б) – устойчивое (притяжение). название ассоциации (объеди-

нение). К ассоциированным жидкостям относятся вода, спирты, ацетон, сжиженный аммиак и др. Степень ассоциации бывает различной. Сильно ассоциированные жидкости заметно отличаются от нормальных по многим свойствам. Ассоциация вызывает увеличение теплоты испарения, уменьшает летучесть жидкости и соответственно изменяет другие свойства.

Впрочем, при обычных температурах одного дипольного взаимодействия недостаточно, чтобы вызвать такую высокую степень ассоциации, которая наблюдается, например, между молекулами воды, аммиака и других сильно полярных жидкостей. Основной причиной ассоциации в этих условиях служит образование между молекулами водородной связи.

 

Испарение жидкости

Испарение – это процесс перехода молекул вещества со свободной поверхности жидкости в газовую фазу при температуре ниже точки кипения.

По мере нагревания жидкости достигается такая температура, при которой во всем объеме жидкости возникают пузырьки пара. Процесс парообразования при этом резко ускоряется. Его интенсивность определяется количеством тепла, подводимого к жидкости. Этот процесс называется кипением, а температура – соответственно, температурой кипения.

Чем выше температура кипения жидкости, тем при нормальных условиях меньше пара над ней образуется в единицу времени.

При испарении жидкости со свободной поверхности затраты энергии восполняются подводом тепла из окружающей среды, если ее температура выше, чем у жидкости. Если же исходные температуры жидкости и окружающего воздуха одинаковы, то испарение будет сопровождаться понижением внутренней энергии жидкости, что приводит к постепенному понижению ее температуры. Данное понижение тем больше, чем выше удельная теплота ее испарения и чем интенсивнее процесс парообразования. Так например, в комнатных условиях при испарении горючих жидкостей таких как СН₃ОН (метанол), СН₃СОСН₃ (ацетон) и С₂Н₅ОС₂Н₅ (диэтиловый эфир) их температура понижается на 7-10 ^оС относительно окружающего воздуха. Эта закономерность сохраняется и при горении перечисленных выше веществ, поскольку затраты тепла на испарение не компенсируются тепловым потоком от факела пламени.

Если испарение протекает в закрытом сосуде, то через некоторое время наступает равновесие между числом молекул, покинувших и вернувшихся обратно в жидкость. Наступает динамическое равновесие. Пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью, называется насыщенным паром.