Лабораторная работа №3 посвящена растворам.
Если 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 не отстаиваются и сохраняются все время однородными. Если раствор профильтровать через самый плотный фильтр, то ни соль, ни сахар, ни марганцовокислый калий не удается отделить от воды. Следовательно, эти вещества в воде раздроблены до наиболее мелких частиц – молекул или ионов.
Растворами называются гомогенные (т.е. однородные) смеси переменного состава из двух или более веществ. Наиболее распространенное агрегатное состояние растворов – жидкое.
Под переменным составом раствора понимают то простое обстоятельство, что соотношение смешанных друг с другом веществ может непрерывно изменяться в определенных пределах. Например, раствор соли можно разбавлять чистой водой или, наоборот, упаривать, но полученные при этом жидкости в любом случае будут называться растворами соли. Приведнное выше определение не охватывает всех свойств растворов, поэтому в конце параграфа мы его уточним.
Любой раствор состоит из растворителя и растворенного вещества:
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.
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 межмолекулярные (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
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 или другими межмолекулярными 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. При растворении перманганата калия диффузию частиц в растворе можно наблюдать визуально благодаря интенсивной малиновой окраске этого вещества.
Существуют растворы не только жидкие, но и твердые. В твердых растворах частицы одного вещества хаотично распределены среди частиц какого-нибудь другого, но обязательно твердого вещества. Например, водород охотно растворяется в некоторых металлах (платине, палладии), и это пример твердого раствора. Смеси газов (например, воздух) не называют растворами. Дело в том, что важным свойством растворов является заметное взаимодействие между частицами растворителя и растворенных веществ, а в газах такое взаимодействие практически отсутствует.На практике часто приходится иметь дело с растворами, имеющими строго заданное содержание в них растворенного вещества. Приведем несколько примеров:
Это приготовление различных лекарственных растворов. Если в аптеке случайно произойдет ошибка с количеством лекарства в его растворе, то последствия могут быть самыми плачевными;
Многие химические реакции проводят в растворах. И здесь ошибки могут приводить к печальным результатам. Например, если фотограф ошибется при растворении проявителя, то фотографии либо не проявятся, либо будут испорчены. Другой пример: если залить в аккумулятор раствор, в котором содержание серной кислоты будет меньше или больше требуемого, то аккумулятор либо не будет работать, либо выйдет из строя.
Один из способов выражения количества вещества в растворе – задание МАССОВОЙ ДОЛИ РАСТВОРЕННОГО ВЕЩЕСТВА.
Массовая доля растворенного вещества – это отношение массы растворенного вещества $m_1$ к общей массе раствора $m$, выраженное в процентах: $$ w = \frac{m_1}{m} \times 100\%. $$
Массовую долю растворенного вещества называют также ПРОЦЕНТНОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ раствора.
Концентрация – это относительное количество растворенного вещества в растворе.
Помимо процентной концентрации, часто удобно пользоваться МОЛЯРНОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ.
Молярная концентрация $С$ – это отношение количества растворенного вещества $v$ (в молях) к объему раствора $V$ в литрах: $$ C = \frac{v}{V}\frac{[моль]}{[л]}. $$
Молярную концентрацию (или МОЛЯРНОСТЬ растворов) принято обозначать буквой $М$. Например, раствор концентрации 1 $М$ содержит 1 моль вещества на литр раствора. Такой раствор называют МОЛЯРНЫМ. Раствор концентрации 0,1 $М$ содержит 0,1 моль вещества на литр раствора и называется ДЕЦИМОЛЯРНЫМ. Растворы концентрации 0,01 $М$ (или 0,01 моль на литр) иногда называют САНТИМОЛЯРНЫМИ.
Рассмотрим несколько примеров:
Решение: $$ w(NaCl) = \frac{25}{200 + 25} \times 100\% \approx 11 \%, $$ $$ C(NaCl) = \frac{\frac{25}{58.44}}{0.225} \frac{\frac{г}{г/моль}}{л} \approx 1.9 $$ Ответ: $11 \%,$ $1.9\frac{моль}{л}.$
Решение: $$ m(KCl) = C(KCl) \times M(KCl) \times V = 0.015 \times 74 \times 0.230 = 0.2553, $$ $$ V(KCl) = \frac{m(KCl)}{C(KCl) \times M(KCl)}\times 1000 = \frac{0.2553}{0.1 \times 74}\times 1000 = 34.5 $$
Ответ: 34.5 мл
Решение: $$ m(FeCl_3) = \rho \times V \times w = 1.049 \times 1.7 \times 0.06 \approx 0.107. $$ $$ C(FeCl_3) = \frac{m}{M\times V} = \frac{107}{162.5 \times 1.7} \approx 0.387. $$
Ответ: 107 г, 0.387 $\frac{моль}{л}.$
Одним из важнейших факторов растворимости являются силы межмолекулярного взаимодействия возникающие между частицами растворенного вещества и молекулами растворителя. В ряде случаев действие этих сил приводит к тому, что дробление веществ на мельчайшие частицы в растворе идет дальше и растворение сопровождается диссоциацией молекул на ионы. Ионы несут электрический заряд – положительный и отрицательный. Раствор, в котором теперь присутствуют подвижные ионы, становится электропроводным. Поэтому процесс распада вещества в растворе на ионы называется электролитической диссоциацией.
Электролитическая диссоциация – это полный или частичный распад растворенного вещества на ионы.
По признаку электрической проводимости все растворы можно разделить на две большие группы: растворы электролитов (проводят электрический ток) и растворы неэлектролитов (ток не проводят).
Наряду с процессом диссоциации на ионы, в растворах происходит и обратный процесс – ассоциация ионов в нейтральные молекулы. Таким образом, электролитическая диссоциация – это обратимая химическая реакция или динамическое равновесие, к которому применимы те же закономерности, что и к любому другому химическому равновесию. Например, для описания процесса диссоциации можно использовать константу равновесия $К_р$, которая в данном случае будет называться константой диссоциации $К_д$.
Итак, константа диссоциации $К_д$ – это частный случай константы равновесия. Значения $К_д$ для сильных электролитов часто бывают настолько велики, что их не удается измерить непосредственно. Эти значения получают косвенно, из термодинамических данных, и в разных справочниках они могут отличаться, хотя и остаются очень большими.
Помимо константы диссоциации, мерой силы электролита может служить степень диссоциации $\alpha$. Это отношение числа распавшихся на ионы молекул ($n_1$) к общему числу молекул ($n_0$), изначально попавших в раствор: $$ \alpha = \frac{n_1}{n_0}. $$
Можно $\alpha$ выразить и в процентах. На основании степеней диссоциации удобно разделять все электролиты на сильные и слабые:
Поскольку вода – полноправный участник процесса диссоциации, ее иногда включают в химическое уравнение. Такие уравнения как бы подчеркивают, что ионы в водном растворе не изолированы, а связаны с молекулами растворителя. Иными словами, при разбавлении растворов слабых электролитов степень диссоциации возрастает.
Растворы электролитов подчиняются закону Ома. Сопротивление раствора $R$ прямо пропорционально расстоянию между электродами $l$ и обратно пропорционально площади их поверхности $S$: $$ R = \rho \frac{l}{S}, $$ где $\rho$ - удельное споротивление.
Удельная электропроводность $\lambda = \frac{1}{\rho}$ является одной из основных характеристик раствора электролита. Она зависит, главным образом, от природы электролита, его концентрации, а также от температуры. С ростом температуры электропроводность растворов увеличивается. Это связано с уменьшением степени сольватации (электростатическое взаимодействие между частицами) ионов и уменьшением вязкости растворителя.
Диссоциация по первой ступени будет происходить в значительно большей степени, чем по второй. Это объясняется тем, что на первой стадии диссоциации она определяется взаимным притяжением двух однозарядных ионов ($[H^+]$ и $[HA^-]$), в то время как на второй ступени ион водорода $[H^+]$ притягивается двухзарядным ионом $[A^{2-}]$.
Разбавленный раствор иодноватой кислоты с $К_д = 2\times10^{-1}$ будет иметь максимальную электропроводность среди представленных кислот, т.к. переносчиков заряда в данной кислоте будет намного больше, чем в остальных (см. пункт 3).
Рассмотрим электролит, молекулы которого $XY$ распадаются в растворе на два иона – катион и анион. Фактически, степень диссоциации $\alpha$ представляет собой долю распавшихся молекул. Если общую концентрацию электролита ($С$) умножить на эту долю, то получим концентрацию любого из ионов. Иными словами, $αС = [X^+]$ моль/л, и $αC = [Y^–]$ $\frac{моль}{л}$.
Если теперь записать выражение для константы диссоциации, то можно выразить $К_д$ через $Сα$: $$ K_д = \frac{C\alpha C\alpha}{C - C\alpha}, $$ Концентрация недиссоциированных молекул в равновесии должна быть меньше исходной концентрации $С$ как раз на величину $Сα$ – отсюда выражение $(С – Сα)$ в знаменателе дроби. Если вынести концентрацию С за скобки и сократить, то получим следующее выражение: $$ K_д = \frac{\alpha^2}{1 - \alpha}C. $$ Это не что иное, как математическая формулировка закона разбавления Оствальда. Закон Оствальда справедлив для бинарных электролитов, т.е. веществ, молекулы которых в растворе распадаются на два иона – катион и анион. В случае сильных электролитов, когда $α$ близка к 1, знаменатель дроби стремится к нулю, а константа диссоциации $К_д$ – к бесконечности.
Однако в случае слабых электролитов величина $(1 – α)$ очень мало отличается от единицы. Таким образом, для слабых электролитов закон разбавления Оствальда можно записать в более простом виде: $$ K_д = \alpha^2C. $$
Константа диссоциации, как и любая константа равновесия, при данной температуре постоянна. Поэтому, если уменьшается концентрация вещества (раствор разбавляют), то для сохранения постоянства константы диссоциации должна возрастать величина $α$. Это означает, что при разбавлении возрастает степень диссоциации слабого электролита. Наоборот, чем концентрирование раствор, тем меньше степень диссоциации $α$.
Приведем простой пример практического использования закона разбавления Оствальда – вычислим более точно степень диссоциации в 0,1 М растворе муравьиной кислоты, если ее константа диссоциации $К_д=1,7\times10^{-4}$. $$ \alpha = \sqrt{\frac{1.7\times10^{-4}}{0.1}} = 4.12\%. $$ Эта же формула поможет нам количественно определить, как изменится степень диссоциации в таком растворе, если его разбавить в 15 раз. После разбавления концентрация муравьиной кислоты составит 0,0067 М. Отсюда: $$ \alpha = \sqrt{\frac{1.7\times10^{-4}}{0,0067}} = 15.93\%. $$ Мы видим, что при разбавлении степень диссоциации уксусной кислоты заметно возросла.
Для подготовки отчета использовался Интернет-учебник. Основы химии. А. В. Мануйлова.