Процес утворення розчину - розчинення - полягає в руйнуванні взаємодії між молекулами індивідуальних речовин і утворенні нових міжмолекулярних зв'язків між компонентами розчину.
Кількість теплоти, що поглинається або виділяється при розчиненні одного моля речовини в надлишку розчинника, називається теплотою розчинення цієї речовини.
Освіта розчину - процес мимовільний, що супроводжується зменшенням вільної енергії Гіббса (DG про раст):
Знак зміни ентропії розчинення (DS про раст) залежить від ступеня зміни порядку в системі до і після розчинення. При розчиненні газів в рідині ентропія системи зменшується, а ентальпія збільшується, тому розчинення газів знижується при підвищенні температури.
Знак зміни ентальпії системи при розчиненні (DН про раст) визначається сумою теплових ефектів всіх процесів, що супроводжують розчинення. При розчиненні твердої речовини руйнується його кристалічна решітка і частки речовини рівномірно розподіляються по всьому об'єму розчину. Цей процес вимагає витрати енергії, отже, DН про кр> 0. Одночасно протікає процес взаємодії частинок розчиненої речовини з водою з утворенням гідратів, що супроводжується виділенням теплоти (DН про гідр <0).
Загальний тепловий ефект розчинення твердої речовини (DН про раст) визначається співвідношенням теплових ефектів цих процесів і може бути як позитивним, так і негативним, або рівним нулю, як при розчиненні цукру у воді.
Розчинення рідин і газів в більшості випадків супроводжується виділенням невеликої кількості теплоти і, відповідно до принципу Ле Шательє, з пониженням температури їх розчинність зменшується.
При приготуванні розчину певної речовини молекули речовини, що розчиняється безперервно переходять в розчин і завдяки дифузії рівномірно розподіляються по всьому об'єму розчинника. Перейшли в розчин молекули розчиненої речовини, вдаряючись об поверхню ще не розчинилося речовини, знову входять в його склад. У міру зростання концентрації розчину збільшується швидкість утворення твердої речовини. У разі рівного розподілу швидкостей цих процесів в системі встановлюється рівновага (DG про раст = 0):
речовина нерозчиненого «речовина в розчині,
при цьому число молекул розчиненої речовини, що надходять в розчин і йдуть з нього в одиницю часу стає рівним.
Розчин максимальної концентрації, який при даній температурі може невизначено довго перебувати в рівновазі з надлишком речовини, що розчиняється, називається насиченим.
Концентрація насиченого розчину називається розчинністю.
Розчинність виражається кількістю грамів розчиненої речовини, що містяться в 100 грамах розчинника, або кількістю молей розчиненої речовини, що містяться в 1 літрі розчину.
Розчин, концентрація якого при даній температурі менше насиченого, називається ненасиченим.
Розчинність твердих речовин (наприклад, солей), як правило, з пониженням температуриуменьшается. Якщо повільно охолоджувати насичений розчин, то можна отримати пересищеннийраствор. тобто розчин, концентрація якого більше розчинності речовини при даній температурі. Пересичені розчини нестійкі (DG про раст> 0) і мимовільно або при зовнішньому впливі (струшування, внесення кристалів) переходять в стан рівноваги (DG про раст = 0). При цьому надлишок розчиненого речовини випадає в осад.
Концентрацією розчину називається кількість розчиненої речовини, що міститься в певній кількості або в певному обсязі розчину або розчинника.
У хімії найбільш вживані такі способи вираження концентрації.
Процентна концентрація. Показує число грамів розчиненої речовини, що містяться в 100 г розчину. Наприклад, 15% -ний водний розчин солі - це такий розчин, в 100 г якого міститься 15 г солі і 85 г води.
Молярна концентрація (молярність). Показує число молей розчиненої речовини, що містяться в 1 л розчину, позначається моль / л або формулою речовини, що містяться в квадратні дужки. Наприклад, [NaOH] = 2 моль / л - це розчин, що містить 2 моля (або 80 г) гідроксиду натрію в одному літрі розчину.
Молярна концентрація еквівалентів. Показує число молей еквівалентів розчиненої речовини, що містяться в 1 л розчину, позначається Сек. Наприклад, Сек H2 SO4 = 0,1моль екв / л - це розчин Н2 SO4. що містить 0,1 моль еквівалентів сірчаної кислоти (або 4,9 г) в 1 л розчину.
Еквівалентом (позначається літерою Е) називають реальну або умовну частку речовини, яка може заміщати, приєднувати, вивільняти або бути будь-яким іншим способом еквівалентна одному іону водню в кислотно-основних або іонообмінних реакціях або одному електрону в окислювально-відновних реакціях.
Еквівалент кислоти дорівнює молярної маси кислоти, поділеній на її основність, тобто на число атомів водню в молекулі кислоти, здатних заміщатися на метал.
Еквівалент підстави дорівнює молярної маси підстави, поділеній на валентність металу.
Еквівалент оксиду дорівнює молярної маси оксиду, поділеній на добуток кількості атомів елемента, що входять до складу молекули, і валентності цього елемента.
Еквівалент солі дорівнює молярної маси солі, поділеній на добуток валентності металу і числа атомів металу в її молекулі.
моль екв. Н2 SO4 (М = 98 г / моль) дорівнює
моль екв. Са (ОН) 2 (М = 74 г / моль) дорівнює
моль екв. Al2 O3 (М = 102 г / моль) дорівнює
Розчини з молярною концентрацією еквівалентів широко застосовуються при проведенні реакцій між розчиненими речовинами. Користуючись цією концентрацією, легко заздалегідь розрахувати, в яких об'ємних співвідношеннях повинні бути змішані розчинені речовини, для того щоб вони прореагували на всі сто. Відповідно до закону еквівалентів кількості речовин, що вступають в реакцію, пропорційні їх еквівалентів:
Отже, для реакції завжди потрібно брати такі обсяги розчинів, які містили б однакове число молей еквівалентів розчинених речовин. При однаковій молярної концентрації розчинів обсяги реагуючих речовин пропорційні їх Сек. Якщо обсяги витрачених на реакцію розчинів позначити через V1 і V2. а їх молярні концентрації еквівалентів через Сек.1 і Сек.2. то залежність між цими величинами виразиться ставленням:
тобто обсяги реагуючих речовин обернено пропорційні молярним концентрацій їх еквівалентів.
На підставі цих залежностей можна не тільки обчислити необхідні для проведення реакцій обсяги розчинів, а й за обсягами витрачених на реакцію розчинів знаходити їх концентрації.
Титр. Показує кількість грамів розчиненої речовини, що міститься в 1 мл розчину. Позначається буквою Т.
Знаючи титр розчину, легко обчислити його молярну концентрацію еквівалента, і навпаки:
Моляльна концентрація (моляльність). Показує число молей розчиненої речовини, що міститься в 1000 г розчинника, позначається Сm:
де m - кількість розчиненої речовини, - кількість розчинника, г; M - молярна маса розчиненої речовини, г / моль.
Кожній рідини при даній температурі відповідає певний тиск насиченої пари р0. З підвищенням температури р0 збільшується. При розчиненні в рідині якого-небудь нелетучего речовини тиск насиченої пари розчинника над розчином стає нижче, ніж над чистим розчинником при тій же температурі. Причому зниження тиску пропорційно концентрації розчину.
Відносне зниження тиску насиченої пари розчинника над розчином дорівнює мольної частці розчиненої речовини (закон Рауля):
де p0 - тиск насиченої пари над чистим розчинником;
p - тиск насиченої пари розчинника над розчином; N - молярна частка розчиненої речовини; n1 - число молей розчиненої речовини; n2 - число молей розчинника.
Молярна частка (Ni) дорівнює відношенню числа молей даної речовини (ni) до суми числа молей всіх речовин (включаючи розчинник) в розчині:
Зниження тиску насиченої пари розчинника над розчином нелетучего речовини призводить до підвищення температури кипіння і зниження температури замерзання розчину порівняно з чистим розчинником.
Відповідно до закону Рауля, тиск водяної пари над водним розчином нижче, ніж над водою.
Температура кипіння рідини Ткип - це температура, при якій тиск насиченої пари її досягає атмосферного тиску; для води це 100 ° С (при тиску 101,3 кПа або 1,013 # 8729, 10 5 Н / м 2). Так як над розчином тиск насиченої пари розчинника нижче, то для того щоб розчин закипів, його треба нагріти до більш високої температури, ніж чистий розчинник.
Наслідки закону Рауля
1. Зниження температури замерзання DТзам і підвищення температури кипіння DТкіп розчину неелектроліту прямо пропорційні кількості речовини, розчиненого в даній кількості розчинника.
2. еквімолярної (тобто містять одне і те ж число молей еквівалентів речовини) кількості розчинених речовин, будучи розчинені в одному і тому ж кількості даного розчинника, однаково знижують температуру його замерзання і однаково підвищують температуру його кипіння.
Зниження температури замерзання, яке викликається розчиненням одного благаючи речовини в 1000 г розчинника, є величина постійна для даного розчинника. Вона називається криоскопической константою kК розчинника. Точно так само і підвищення температури кипіння, що викликається розчиненням одного благаючи речовини в 1000 г розчинника, називається ебуліоськопічеський константою Kе розчинника. Кріоскопічна і ебуліоскопічна константи залежать тільки від природи розчинника.
Зниження температури замерзання і підвищення температури кипіння розведених розчинів неелектролітів пропорційно їх моляльній концентрації: