Тема – 7: Растворы как физико – химические системы. Насыщенные и ненасыщенные растворы. Концентрация веществ в растворе.
Студент должен:
Знать:
· Теорию электролитической диссоциации Аррениуса.
· Гидролиз солей и электролиз расплавов и растворов солей.
Уметь:
· Записывать уравнения реакций ионного обмена
· Определять кислотность растворов кислотно – основными индикаторами.
· Составлять полные и сокращенные ионные уравнения гидролиза солей.
· Предсказывать реакцию среды в растворах солей.
· Решать задачи на концентрацию растворов.
7.1. Растворимость веществ.
При растворении в воде твердых тел вначале происходит их дробление до молекул или ионов, а затем диффузия этих частиц по объему раствора.
Процесс растворения твердого вещества можно ускорить, если измельчить его и превратить в порошок. Диффузию, происходящую в растворе, обычно ускоряют перемешиванием раствора (рис. 15). Если поместить растворяемое вещество на поверхности воды, то так как раствор имеет большую плотность, он будет стекать вниз, на дно сосуда, а на его место будут попадать новые порции воды.
Известно, что растворимость большинства веществ небезгранична. Так, при обычных условиях в 100 г воды может раствориться около 36 г поваренной соли, 40 г калийной селитры, 200 г сахара и т. д. Если мы растворим, например, 36 г хлорида натрия в 100 г воды при 20° С, то больше поваренная соль в этом растворе растворяться не будет.
Раствор, в котором данное вещество при определенной температуре больше не растворяется, называют насыщенным. Нерастворившаяся соль будет находиться на дне сосуда с насыщенным раствором.
Раствор, в котором данное вещество еще растворяется при определенной температуре, называют ненасыщенным.
Массу вещества, образующую насыщенный раствор в 100 г растворителя при данной температуре, называют растворимостью этого вещества или коэффициентом растворимости.
По растворимости вещества сильно различаются. Растворимость некоторых веществ очень мала. Так, растворимость сульфата бария BaS04 в 100 г воды равна 0,00023 г, а хлорида серебра 0,00015 г. Про такие вещества говорят, что они практически нерастворимы. Если растворимость вещества более 0,1 г, но меньше 1 г в 100 г воды, то про такие вещества говорят, что они мало или плохорастворимы. К таким веществам относят сульфат кальция CaS04, фосфат магния Mg3 (P04)2 и др. Вещества, растворимость которых более 1 г в 100 г воды, считают растворимыми. Так, растворимость поваренной соли при 20° С — около 40 г. Растворимость йодида калия при этой же температуре равна 144 г. Эти вещества относятся к растворимым.
При нагревании растворов растворимость большинства твердых веществ возрастает (рис. 16).
В воде растворяются и некоторые жидкости, например, спирт, глицерин. Другие жидкости, такие как бензин, масла, в воде практически не растворяются.
Газы также растворяются в воде. Растворимость газов в воде легко обнаружить, если налить в стакан хо лодной воды и поставить его в теплое место. Через некоторое время на стенках стакана появятся пузырьки газа.
Газированная вода — раствор углекислого газа в воде. Газ в такой воде растворен при повышенном давлении. Таким образом, в отличие от твердых тел растворимость газов с повышением температуры уменьшается, а с увеличением давления — повышается.
Большое значение имеет растворимость кислорода в воде, от нее зависит развитие и поддержание жизни в водоемах.
Из табл. 6 видно, что в холодной воде кислорода растворено больше. Вот почему в холодных водах океана подводная жизнь более богатая, чем в теплых водах. В холодных водах рыбы водится больше. Поэтому основные промысловые зоны рыбной ловли находятся именно в холодных водах.
Подведем итог:
1. Вещества, находящиеся в твердом, жидком и газообразном состоянии, растворяются в воде, образуя растворы.
2. При повышении температуры растворимость твердых веществ, как правило, повышается, а газов — уменьшается.
7.2. Концентрация растворов
Важной характеристикой растворов является концентрация. Под концентрацией понимают отношение массы или количества растворенного вещества к объему раствора. Обычно в химии используют молярную концентрацию.
Молярной концентрацией раствора называют отношение количества растворенного вещества к объему этого раствора:
CA = n__ ( моль/ л)
Vm
Зная количество растворенного вещества в том или ином объеме раствора, можно определить его молярную концентрацию.
Таким образом, концентрация и массовая доля вещества в растворе — разные понятия. Концентрация характеризует раствор, массовая доля — растворенное вещество.
2. Рассчитайте молярную концентрацию раствора, в 300 мл которого растворено 0,5 моль вещества.
3. Молярная концентрация раствора равна 1,5 моль/л. Какое количество растворенного вещества содержится в 200 мл раствора?
4. Определите массу вещества (Мг = 111 г/моль), содержащегося в 200 мл 0,5 М раствора.
5. *Определите молярную концентрацию 20%-ного раствора вещества (Мг - 40 г/моль), плотность которого р = 1,11 г/мл.
7.3. Электролитическая диссоциация веществ
Водные растворы некоторых веществ проводят электрический ток. Можно ли сделать вывод, что это связано с какими-то особенностями их строения?
Возьмем три вещества — сахар, поваренную соль и дистиллированную воду. С помощью установки, изображенной на рис. 17, проверим их электрическую проводимость. Опыты показывают, что ни одно из этих веществ тока не проводит. Затем приготовим растворы сахара и поваренной соли в воде и определим электропроводность водных растворов веществ. Раствор сахара не проводит электрического тока, а раствор поваренной соли проводит.
Аналогичные опыты по определению электропроводности множества веществ, их растворов и расплавов позволили разделить вещества на две большие группы — электролиты и неэлектролиты.
Вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток, называют электролитами. Вещества, растворы и расплавы которых не проводят электрический ток, называются неэлектролиты.
Электролитами являются соли, щелочи и кислоты — вещества с ионными или полярными ковалентными связями. Неэлектролитами — сахар, спирт, азот, кислород и другие вещества, имеющие ковалентные неполярные или малополярные связи.
Если раствор какого-либо вещества проводит электрический ток, это значит, в растворе имеются заряженные частицы, способные перемещаться. Без выполнения этих условий электрическая проводимость невозможна. Вспомним: металлы хорошо проводят электрический ток, потому что в них есть свободные электроны.
Ионные соединения (соли, щелочи) состоят из ионов, но в твердом виде ток не проводят, так как ионы не могут свободно двигаться. Почему же в растворах электролитов заряженные частицы получают возможность перемещаться? Может быть, причина заключается в строении молекул воды?
Атомы кислорода и водорода в молекуле воды связаны ковалентной полярной связью, общие электронные пары смещены в сторону более электроотрицательного атома кислорода. Поэтому на нем образуется частичный отрицательный заряд (8-), а на атомах водорода — частичный положительный заряд (δ+). Таким образом, в молекуле воды есть два полюса, т. е. каждая молекула представляет собой диполь.
Молекулы воды, находящиеся в постоянном тепловом движении, обладают значительной энергией. При попадании в воду ионного кристалла хлорида натрия молекулы воды притягиваются положительными концами диполей к отрицательным ионам, а отрицательными — к положительным ионам. Кинетической энергии молекул воды достаточно для того, чтобы разрушить кристалл поваренной соли на отдельные ионы Na и Сl
Образовавшиеся ионы натрия и хлорид-ионы свободно перемещаются
в растворе, они и являются переносчиками зарядов. Разрушение кристаллов поваренной соли происходит и при их нагревании до температуры плавления. Таким образом, в расплаве также появляются заряженные частицы, способные свободно перемещаться.
Упрощенно процесс электролитической диссоциации можно записать в виде уравнения:
Все соли диссоциируют на ионы металла и ионы кислотного остатка, например:
Последнее уравнение диссоциации следует читать так: карбонат калия диссоциирует на два положительных однозарядных иона калия и отрицательный двузарядный карбонат-ион.
Щелочи диссоциируют на ионы металла и гидроксид ионы, наприм
Суммы зарядов положительных и отрицательных ионов, образующихся при электролитической диссоциации вещества, равны по абсолютной величине.
Подумайте, может ли при диссоциации вещества сумма зарядов положительных ионов оказаться не равной сумме зарядов отрицательных ионов. Объясните.
Электролитическую диссоциацию веществ с ковалентной полярной связью рассмотрим на примере соляной кислоты.
При попадании в воду полярных молекул хлороводорода их окружают диполи воды. Под действием молекул воды связь в каждой молекуле хлороводорода еще сильнее поляризуется, общая электронная пара полностью смещается к атому хлора, и образуются ионы водорода и хлора. Уравнения диссоциации веществ с полярной ковалентной связью записывают так же, как и для веществ с ионной связью.
Изучение свойств веществ — один из важнейших способов познания их строения. Так, по способности вещества проводить или не проводить электрический ток в растворах или расплавах можно высказать предположение о характере химической связи в нем. Для электролитов характерна ионная или ковалентная сильнополярная связь. Процесс распада электролита на ионы называют электролитической диссоциацией; в растворе она обусловлена взаимодействием вещества с диполями воды, а в расплаве — нагреванием.
3. Напишите уравнения электролитической диссоциации следующих веществ: а) КВг; б) NaF; в) Lil; г) HI.
4. Напишите и прочитайте уравнения электролитической диссоциации кислот: а) НВг; б) H, S03; в) Н3Р04; г) НМп04.
5. Составьте и прочитайте уравнения электролитической диссоциации щелочей: а) КОН: б) Ва(ОН)2; в) LiOH; г) Sr(OH)2.
6. Составьте и прочитайте уравнения электролитической диссоциации солей: a) MgCl2; б) Na3P04; в) CuS04; г) Fe(N03)3.
7.4. Свойства ионов
Свойства атомов и образующихся из них ионов различаются, что обусловлено их разным строением. Чтобы убедиться в этом, рассмотрим атомы и ионы натрия и хлора.
Ионы образуются в результате перестройки электронных оболочек атомов натрия и хлора. Электронная оболочка иона натрия похожа на оболочку атома неона, а хлорид-иона — на
электронную оболочку атома аргона (рис. 22). Поэтому свойства ионов натрия и хлорид-ионов совсем иные, чем свойства атомов натрия и хлора. Металлический натрий состоит из атомов и ионов натрия, а газообразный хлор — из молекул, в состав которых входят по два атома хлора. Известно, что натрий — активный металл, а хлор — активный неметалл. Эти вещества существенно отличаются от хлорида натрия (поваренная соль), который состоит из ионов натрия и хлорид-ионов. Так, хлорид нанатрия и хлорид-ионов. Так, хлорид натрия в отличие от хлора бесцветен, лишен запаха и неядовит. В отличие от натрия хлорид натрия с водой не взаимодействует и водород из воды не вытесняет. Если металлический натрий и газообразный хлор опасны для организма человека, то ионы Na+ и СГ необходимы для нормальной жизнедеятельности. Поэтому поваренную соль добавляют в пищу.
Ионы натрия и хлорид-ионы в растворе бесцветны. Однако существуют и окрашенные ионы. Так, ионы Сu2+ в растворе имеют голубой цвет, а ионы кислотного остатка марганцовой кислоты МnO4- — малиново-фиолетовый. (Калийная соль этой кислоты — перманганат калия КМn04 широко применяется в медицине под названием «марганцовка». Раствор пер-манганата калия окрашен за счет ионов Мn04.)
Веществами, содержащими окрашенные ионы, можно воспользоваться для доказательства того, что ионы — заряженные частицы. Проведем такой опыт. Смочим фильтровальную бумагу раствором нитрата калия, который, как известно, проводит электрический ток. Подсоединим смоченную раствором электролита фильтровальную бумагу к источнику постоянного тока и поместим на нее кристаллики хлорида меди(II) СuС12 (рис. 23). Ионы меди окрашены, а ионы калия, хлорид - и нитрат-ионы бесцветны. Через некоторое время от кристаллов соли к отрицательно заряженному электроду потянутся окрашенные язычки. Значит, ионы меди Си смещаются в сторону отрицательно заряженного электрода — катода. Можно
предположить, что в эту же сторону движутся и ионы калия К, а хлорид-ионы Сl - и нитрат-ионы NO3- перемещаются в сторону положительно заряженного электрода — анода.
Ионы, перемещающиеся в электрическом поле к катоду, называются катионы.
Ионы, движущиеся в электрическом поле к аноду, называют анионы.
Анионами являются гидроксид-ион ОН, а также ионы кислотных остатков N03-, SO42-, Сl - и др.
Как мы убедились, ионы — заряженные частицы, а поэтому взаимодействуют между собой посредством кулоновских сил. Благодаря этим же силам ионы могут перемещаться в растворах под действием постоянного электрического тока. А теперь вспомним, что молекулы воды представляют собой диполи (см. рис. 18), то есть положительный и отрицательный заряды в молекуле воды разъединены и находятся в разных ее частях. Поэтому ионы могут взаимодействовать с этими зарядами и образовывать соединения.
Процесс образования соединения ионов с молекулами воды называют гидратацией. Образующиеся при этом вещества называют гидратами.
Твердые кристаллические гидраты, образующиеся при медленном испарении воды из растворов, называют кристаллогидраты.
Кристаллогидраты, как правило, имеют постоянный состав. Так, кристаллогидрат — медный купорос — удерживает пять молекул воды CuS04-5H20. Примеры других кристаллогидратов: FeS04-7H20; Na2CO3-10H2O.
Процесс гидратации происходит благодаря движению ионов и полярных молекул воды. Силы, удерживающие частицы друг около друга, также электрические.
Процесс гидратации можно сравнить с образованием ионных связей, ведь силы, удерживающие молекулы воды и ионы, — кулоновские. Поэтому при гидратации происходит выделение энергии. Раствор должен нагреваться. И действительно, при растворении кислот, щелочей и некоторых солей раствор заметно нагревается. Так, при растворении серной кислоты выделяется столько тепла, что раствор может закипеть. Вот почему в целях безопасности при разбавлении концентрированной серной кислоты следует приливать ее небольшими порциями в воду. Плотность серной кислоты больше, чем у воды, поэтому она будет опускаться на дно сосуда. При этом нагревание раствора будет происходить более равномерно и он не закипит.
Наряду с гидратацией при растворении веществ в воде происходят, как известно, их дробление и диффузия частиц вещества по всему объему раствора. При протекании этих процессов раствор должен охлаждаться, так как им совершается работа по дроблению кристаллов. Существуют вещества, например нитраты, при растворении которых в воде температура раствора заметно понижается. Суммарный тепловой эффект растворения веществ зависит от величины выделяющейся энергии гидратации и поглощающейся энергии дробления. Если при гидратации энергии выделяется больше, чем ее затрачивается на дробление вещества, то раствор нагревается. Если же, наоборот, на дробление вещества энергии затрачивается больше, чем ее выделяется в результате гидратации, то раствор охлаждается.
Подведем итог:
1. Свойства атомов и ионов существенно различаются. Это обусловлено различием в строении их электронных оболочек и наличием зарядов у ионов.
2. Ионы, которые пол действием постоянного тока перемещаются к катоду, называются катионами, а те, которые перемещаются к аноду, — анионами.
3. В процессе растворения, кроме дробления вещества и диффузии, происходит также гидратация, то есть взаимодействие полярных молекул воды с ионами. В результате этого процесса образуются гидраты.
4. Твердые гидраты, включающие молекулы воды в свои кристаллы, называют кристаллогидратами.
5. Тепловой эффект растворения веществ зависит от величины энергии, затрачиваемой на дробление вещества, и энергии, выделяющейся вследствие гидратации.
