Что общего в свойствах растворов и химических соединений
Растворы, механические смеси и химические соединения
Однородность растворов делает их очень сходными с химическими соединениями.
Химическое соединение — сложное вещество, состоящее из химически связанных атомов двух или нескольких элементов.
Раствор это не одно химическое соединение, а как минимум два смешанных соединения. В отличие от простого смешивания веществ, при растворении происходит взаимодействие между частицами, образующими раствор.
Выделение теплоты при растворении некоторых веществ тоже указывает на химическое взаимодействие между растворителем и растворяемым веществом.
Отличие растворов от химических соединений состоит в том, что состав раствора может изменяться в широких пределах. Кроме того, в свойствах раствора можно обнаружить многие свойства его отдельных компонентов, чего не наблюдается в случае химического соединения.
Непостоянство состава растворов приближает их к механическим смесям.
Механическая смесь — физико-химическая система, в состав которой входят два или несколько химических соединений (компонентов). В смеси исходные вещества включены неизменными. При смешивании не возникает никакое новое вещество.
От механических смесей растворы резко отличаются своею однородностью. Таким образом, растворы занимают промежуточное положение между механическими смесями и химическими соединениями.
Процесс растворения
Растворение кристалла в жидкости протекает следующим образом.
Когда вносят кристалл в жидкость, в которой он может растворяться, от поверхности его отрываются отдельные молекулы. Последние благодаря диффузии равномерно распределяются по всему объёму растворителя.
Отделение молекул от поверхности твёрдого тела вызывается, с одной стороны, их собственным колебательным движением, а сдругой – притяжением со стороны молекул растворителя.
Этот процесс должен был бы продолжаться до полного до полного растворения любого количества кристаллов, если бы не происходил обратный процесс – кристаллизация. Перешедшие в раствор молекулы, ударяясь о поверхность ещё не растворившегося вещества, снова притягиваются к нему и входят в состав его кристаллов.
Понятно, что выделение молекул из раствора будет идти тем быстрее, чем большеконцентрация раствора. А так как последняя по мере растворения вещества увеличивается, то, наконец наступает такой момент, когда скорость растворения становится равной скорости кристаллизации. Тогда устанавливаетсядинамическое равновесие, при котором в единицу времени растворяется и кристаллизуется одинаковое число молекул.
Раствор, находящийся в равновесии с растворяющимся веществом, называетсянасыщенным раствором.
Концентрация растворов
Насыщенными растворами приходится пользоваться сравнительно редко. В большинстве случаев употребляются растворы ненасыщенные, т.е. с меньшей концентрацией растворённого вещества, чем в насыщенном растворе.
Концентрацией раствора называется количество растворённого вещества, содержащееся в определённом количестве раствора или растворителя.
Растворы с большой концентрацией растворённого вещества называютсяконцентрированными, с малой – разбавленными.
Концентрацию раствора можно выражать по разному:
1. В процентах растворённого вещества по отношению ко всему количеству раствора.
2. Числом грам-молекул растворённого вещества, содержащегося в 1 литре раствора.
3. Числом грамм-молекул растворённого вещества, содержащегося в 1000 г растворителя
и т.д.
Растворимость
Растворимостью называется способность вещества растворяться в том или ином растворителе.
Мерой растворимости вещества при данных условиях служит концентрация его насыщенного раствора.
Растворимость различных веществ колеблется в широких пределах.
· Если в 100 граммах воды растворяется более 10 г вещества, то такое вещество
принято называть хорошо растворимым.
· Если растворяется менее 1 г вещества – малорастворимым.
· Если в раствор переходит менее 0,01 г вещества, то такое вещество называют
практически нерастворимым.
Принципы, позволяющие предсказать растворимость вещества, пока не известны. Однако, обычно вещества, состоящие из полярных молекул, и вещества с ионным типам связи лучше растворяются в полярных растворителях (вода, спиры, жидкий амиак), а неполярные вещества – в неполярных растворителях (бензол, сероуглерод).
Растворение большинства твёрдых тел сопровождается поглощением теплоты. Это объясняется затратой значительного количества энергии на разрушение кристаллической решётки твёрдого тела, что обычно не полностью компенсируется энергией, выделяющейся при образовании гидратов (сольватов).
Как правило, повышение температуры должно приводить к увеличению растворимости твёрдых тел.
Гидраты и сольваты.
При растворении многих веществ их молекулы или ионы связываются с молекулами растворителя, образуя соединения, называемые сольватами (от латинского solvere – растворять). Этот процесс называется сольватацией.
В частном случае, когда растворителем является вода, эти соединения называютсягидратами, а самый процесс их образования – гидратацией.
В зависимости от природы растворённого вещества, сольваты могут образовываться разными путями.
1. При растворении веществ с ионной структурой молекулы растворителя удерживаются около иона силами электростатического притяжения. В этом случае говорят о ион-дипольном взаимодействии.
2. Может иметь место донорно-акцепторное взаимодействие. Здесь ионы растворённого вещества обычно выступают в качестве акцепторов, а молекулы растворителя – в качестве доноров электронных пар. В таком взаимодействии могут участвовать растворители, молекулы которых обладают неподеленными электронными парами (например, вода, аммиак).
3. При растворении веществ с молекулярной структурой сольваты образуются вследствие диполь-дипольного взаимодействия. Диполи растворённого вщества могут быть при этом постоянными (у веществ с полярными молекулами) или наведёнными (у веществ с неполярными молекулами).
Кристаллогидраты
Вещества, в кристаллы которых входят молекулы воды, называютсякристаллогидратами, а содержащаяся в них вода – кристаллизационной.
Состав кристаллогидратов принято изображать формулами, показывающими, какое количество кристаллизационной воды содержит кристаллогидрат.
· кристаллогидрат сульфата меди (медный купорос), содержащий одну грамм-
молекулу CuSO4 и пять грамм-молекул воды, изображается формулой
CuSO4 · 5 H2O;
· кристаллогидрат сульфата натрия (глауберова соль) изображается формулой
Na2SO4 · 10H2O.
· Алюмокалиевые квасцы могут изображаться формулой:
K2SO4 · Al2(SO4)3 · 24H2O или после сокращения на два: KAl(SO4)2 · 12H2O
Свойства гидратов
Гидраты, как правило, нестойкие соединения, во многих случаях разлагающиеся уже при выпаривании растворов.
Но иногда гидраты настолько прочны, что при выделении растворённого вещества из раствора вода входит в состав его кристаллов.
Прочность связи между веществом и кристаллизационной водой в кристаллогидратах различна. Многие из них теряют кристаллизационную воду уже при комнатной температуре.
Так, прозрачные кристаллы «бельевой» соды (Na2СO3 · 10H2O), если оставить их лежать на воздухе, очень легко «выветриваются», т.е., теряя воду, становятся тусклыми и постепенно рассыпаются в порошок. Для обезвоживания других кристаллогидратов требуется довольно сильное нагревание.
Х и м и я
Коллоидная химия
Растворы.
Растворами называют однородные системы переменного состава. Химический состав и физические свойства одного раствора во всех частях его объёма одинаковы.
В отличие от простого смешивания веществ, при растворении происходит взаимодействие между частицами, образующими раствор.
Часто для определения раствора используют понятия гомогенной и системы.
В этом случае, раствором называется гомогенная система, состоящая из двух или более компонентов.
Гомогенные и гетерогенные системы
Гомогенная система (от греч. όμός — равный, одинаковый; γένω — рождать) — однородная система, химический состав и физические свойства которой во всех частях одинаковы или меняются непрерывно, без скачков (между частями системы нет поверхностей раздела).
В гомогенной системе из двух и более химических компонентов каждый компонент распределен в массе другого в виде молекул, атомов, ионов. Составные части гомогенной системы нельзя отделить друг от друга механическим путем.
Гетерогенная система (от греч. έτερος — разный; γένω — рождать) — неоднородная система, состоящая из однородных частей (фаз), разделённых поверхностью раздела.
Растворы могут существовать в трёх агрегатных состояниях – твёрдом, жидком и газообразном (парообразном). Примерами твёрдых растворов могут служить некоторые сплавы металлов, например сплав золота и меди, газообразных – воздух.
Наиболее важный вид растворов – жидкие растворы.
Растворы имеют чрезвычайно важное значение в жизни человека. Так, процессы усвоения пищи человеком и животными связаны с переводом питательных веществ в раствор. Растворами являются все важнейшие физиологические жидкости (кровь, лимфа и т.д.).
Растворители
Всякий раствор состоит из растворённых веществ и растворителя, т.е. среды, в которой эти вещества равномерно распределены в виде молекул и ионов.
Обычно растворителем считают тот компонент, который в чистом виде существует в том же агрегатном состоянии, что и полученный раствор. Например, в случае водного раствора соли растворителем является вода.
Если же оба компонента до растворения находились в одинаковом агрегатном состоянии (например, спирт и вода), то растворителем считается компонент, находящийся в большем количестве.
Истинные и коллоидные растворы
В растворах вещества могут находиться в различных степенях дисперсности (т.е. раздробленности). Величина частиц служит важным признаком, обуславливающим многие физикохимические свойства растворов.
По величине частиц растворы делятся на:
1. Истинные растворы (размер частиц меньше 1 мкм) и
2. Коллоидные растворы (размер частиц от 1 до 100 мкм).
Смеси с частицами размером более 100 мкм образуют взвеси: суспензии и эмульсии.
Истинные растворы могут быть ионными или молекулярными в зависимости от того, диссоциирует ли растворённое вещество на ионы или остаётся в недиссоциированном состоянии в виде молекул.
Коллоидные растворы резко отличаются по свойствам от истинных растворов. Они гетерогенны, так как имеют поверхность раздела между фазами – растворённым веществом (дисперсной фазой) и растворителем (дисперсионной средой).
Растворы высокомолекулярных соединений: белков, полисахаридов, каучука обладают свойствами как истинных, так и коллоидных растворов и выделяются в особую группу.
Растворы, механические смеси и химические соединения
Однородность растворов делает их очень сходными с химическими соединениями.
Химическое соединение — сложное вещество, состоящее из химически связанных атомов двух или нескольких элементов.
Раствор это не одно химическое соединение, а как минимум два смешанных соединения. В отличие от простого смешивания веществ, при растворении происходит взаимодействие между частицами, образующими раствор.
Выделение теплоты при растворении некоторых веществ тоже указывает на химическое взаимодействие между растворителем и растворяемым веществом.
Отличие растворов от химических соединений состоит в том, что состав раствора может изменяться в широких пределах. Кроме того, в свойствах раствора можно обнаружить многие свойства его отдельных компонентов, чего не наблюдается в случае химического соединения.
Непостоянство состава растворов приближает их к механическим смесям.
Механическая смесь — физико-химическая система, в состав которой входят два или несколько химических соединений (компонентов). В смеси исходные вещества включены неизменными. При смешивании не возникает никакое новое вещество.
От механических смесей растворы резко отличаются своею однородностью. Таким образом, растворы занимают промежуточное положение между механическими смесями и химическими соединениями.
Процесс растворения
Растворение кристалла в жидкости протекает следующим образом.
Когда вносят кристалл в жидкость, в которой он может растворяться, от поверхности его отрываются отдельные молекулы. Последние благодаря диффузии равномерно распределяются по всему объёму растворителя.
Отделение молекул от поверхности твёрдого тела вызывается, с одной стороны, их собственным колебательным движением, а сдругой – притяжением со стороны молекул растворителя.
Этот процесс должен был бы продолжаться до полного до полного растворения любого количества кристаллов, если бы не происходил обратный процесс – кристаллизация. Перешедшие в раствор молекулы, ударяясь о поверхность ещё не растворившегося вещества, снова притягиваются к нему и входят в состав его кристаллов.
Понятно, что выделение молекул из раствора будет идти тем быстрее, чем больше концентрация раствора. А так как последняя по мере растворения вещества увеличивается, то, наконец наступает такой момент, когда скорость растворения становится равной скорости кристаллизации. Тогда устанавливается динамическое равновесие, при котором в единицу времени растворяется и кристаллизуется одинаковое число молекул.
Раствор, находящийся в равновесии с растворяющимся веществом, называется насыщенным раствором.
Концентрация растворов
Насыщенными растворами приходится пользоваться сравнительно редко. В большинстве случаев употребляются растворы ненасыщенные, т.е. с меньшей концентрацией растворённого вещества, чем в насыщенном растворе.
Концентрацией раствора называется количество растворённого вещества, содержащееся в определённом количестве раствора или растворителя.
Растворы с большой концентрацией растворённого вещества называются концентрированными, с малой – разбавленными.
Концентрацию раствора можно выражать по разному:
1. В процентах растворённого вещества по отношению ко всему количеству раствора.
2. Числом грам-молекул растворённого вещества, содержащегося в 1 литре раствора.
3. Числом грамм-молекул растворённого вещества, содержащегося в 1000 г растворителя и т.д.
Растворимость
Растворимостью называется способность вещества растворяться в том или ином растворителе.
Мерой растворимости вещества при данных условиях служит концентрация его насыщенного раствора.
Растворимость различных веществ колеблется в широких пределах.
Принципы, позволяющие предсказать растворимость вещества, пока не известны. Однако, обычно вещества, состоящие из полярных молекул, и вещества с ионным типам связи лучше растворяются в полярных растворителях (вода, спиры, жидкий амиак), а неполярные вещества – в неполярных растворителях (бензол, сероуглерод).
Растворение большинства твёрдых тел сопровождается поглощением теплоты. Это объясняется затратой значительного количества энергии на разрушение кристаллической решётки твёрдого тела, что обычно не полностью компенсируется энергией, выделяющейся при образовании гидратов (сольватов).
Как правило, повышение температуры должно приводить к увеличению растворимости твёрдых тел.
СВОЙСТВА РАСТВОРОВ. Растворы занимают промежуточное место между механическими смесями и химическими соединениями
Растворы занимают промежуточное место между механическими смесями и химическими соединениями. Однородность растворов и выделение теплоты при растворении некоторых веществ делает их сходными с химическими соединениями. Отличие растворов от химических соединений состоит в том, что состав раствора может изменяться в широких приделах.
Кроме того, в свойствах раствора можно обнаружить свойства его отдельных компонентов, чего не наблюдается в случае химического соединения.
Давление насыщенного пара над раствором
Переход молекул веществ из жидкости в пар называется испарением. Переход молекул вещества из парообразного состояния в жидкость называется конденсацией.
Если жидкость находится в замкнутом сосуде, то достигается равновесие, когда скорость испарения жидкости равна скорости конденсации пара.
Давление, которое оказывает пар, находящийся в равновесии с жидкостью, называют давление насыщенного пара этой жидкости. Это максимальное давление пара, которое развивается жидкостью. Давление насыщенного пара зависит от природы жидкости и температуры и не зависит от количества жидкости.
Поверхность раствора, в отличае от поверхности чистого растворителя, частично занята молекулами растворенного вещества. Поэтому число молекул растворителя, испаряющихся в еденицу времени с еденицы поверхности раствора меньше, чем с еденицы поверхности растворителя. Следовательно, при одной и той же температуре давление насыщенного пара над раствором всегда будет ниже давления насыщенного пара над растворителем.
Количественно эта зависимость выражается законом Ф. Рауля “В идеальных растворах при постоянной температуре величина относительного понижения давления пара растворителя над раствором равна молярной доле растворенного вещества”.
, где
Р0 – давление пара чистого растворителя,
Идеальный раствор – раствор, в котором межмолекулярные силы равны. Если вещества А и В образуют идеальный раствор, то силы между молекулами А…А, А…В и В…В равны.
Из закона Рауля следует, что пар над смесью жидкостей А и В содержит оба этих вещества, причем давление насыщенного пара каждого из веществ в смеси равно произведению мольной доли этого вещества на давление насыщенного пара над чистым веществом, т.е.:
РА – давление насыщенного пара вещества А над раствором,
NА – мольная доля вещества А в расворе,
Р 0 А – давление насыщенного пара вещества А над чистым веществом.