9.3. Хімічна (гідратна) теорія розчинів д.І. Менделєєва

Д.І.Менделєєв вивчав розчини протягом 20 років. У 1887 році внаслідок узагальнення дослідних даних було опубліковано роботу “Дослідження водних розчинів за питомою вагою”. На підставі експериментальних даних він висунув припущення, що у процесі розчинення частинки розчиненої речовини взаємодіють із молекулами розчинника – води. При цьому утворюються нетривкі хімічні сполуки – гідрати. Гідратну теорію Д.І.Менделєєва пізніше було розвинено роботами І.О.Каблукова, В.О.Кистяковського. Згідно із сучасною теорією розчинів – розчинення є фізико-хімічним процесом, у перебігу якого взаємодіють молекули розчиненої речовини з молекулами розчинника, утворюючи нетривкі сполуки – сольвати. Процес утворення сольватів називається сольватацією, а якщо розчинник вода, то утворення гідратів називається гідратацією.

Так, наприклад, для H₂SO₄ цю взаємодію можна записати:

H₂SO₄ (конц.) + nH₂O ↔ H₂SO₄ ∙ nH₂O (гідрати),

де n = 1, 2, 3, 4. Внаслідок екзотермічної (∆Н < 0) реакції утворюються нетривкі сполуки, частина з яких знаходиться у стані дисоціації.

Іноді гідратна вода так міцно утримується молекулами розчиненої речовини, що при виділенні останньої з розчину, вона входить до складу кристалів. Кристалічні утворення, що містять у своєму складі воду називаються кристалогідратами, а вода, що міститься в них кристалізаційною.

Наприклад: CuSO₄ ∙ 5H₂O, Al₂(SO₄)₃ ∙ 18H₂O.

Кристалічні утворення, що містять у своєму складі молекули розчинника називаються, за аналогією кристалосольватами.

9.4. Теплові ефекти розчинення

Процес розчинення завжди супроводжується тепловим ефектом. Це пояснюється тим, що при розчиненні відбуваються наступні процеси:

1. Зміна фазового стану (руйнування кристалічної решітки, якщо розчиняється тверда речовина; поглинання газу рідиною). На цей процес тепло витрачається. Позначимо його ∆Н_ф.п. (ентальпія фазового переходу).

2. Процес сольватації – розчинена речовина взаємодіє із молекулами розчинника з утворенням сольватів. Цей процес супроводжується виділенням тепла. Позначимо його ∆Н_сольв. (ентальпія сольватації).

Теплота розчинення (∆Н_розч.) – це сума двох теплових ефектів:

∆Н_розч. = ∆Н_ф.п. + ∆Н_сольв. (7.1.)

Якщо ∆Н_ф.п. > ∆Н_сольв., то ∆Н_розч > 0, тобто процес розчинення супроводжується поглинанням тепла (ендотермічний процес). Наприклад, розчинення NH₄SCN, KCI, KNO₃, NH₄CI.

Якщо ∆Н_ф.п. < ∆Н_сольв., то ∆Н_розч < 0, тобто процес розчинення супроводжується виділенням тепла (екзотермічний процес). Наприклад, розчинення кислот, луґів.

9.5. Розчинність

Розчинністю називається здатність речовини розчинятися у даному розчиннику. Мірою розчинності слугує концентрація її насиченого розчину. Чисельно розчинність може бути виражено тими ж способами, що й концентрацію. Часто її характеризують коефіцієнтом розчинності – числом одиниць маси сухої речовини, що насичують при даній температурі 100 одиниць маси розчиннику.

Розчинність залежить від природи розчиненої речовини, природи розчинника та зовнішніх умов. На жаль, донині нема теорії, за допомогою якої можна було б передбачити та обчислити розчинність, але є правило здобуте багатовіковим досвідом: “Подібне розчиняється у подібному”. Речовини з іонним чи ковалентним полярним типом зв’язку ліпше розчиняються у полярних розчинниках (воді, нижчих спиртах, рідкому аміаку, тощо), неполярні речовини у неполярних розчинниках. Наприклад натрій хлорид добре розчиняється у воді, але не розчиняється у бензолі, йод погано розчиняється у воді, але добре – у бензолі.

Розчинність газів із підвищенням температури зменшується, оскільки – це процес екзотермічний та має переважне значення ∆Н_сольв.. Із підвищенням тиску розчинність газів збільшується. Це відображує закон Генрі: розчинність газу при сталій температурі прямо пропорційна його парціальному тискові. Цей закон справедливий при не дуже високих тисках і у відсутності хімічної взаємодії між газом і розчинником.

Розчинність рідини у рідині. При змішуванні рідин, між молекулами яких існують різноманітні види взаємодії, можливі три варіанти розчинення: 1)Необмежена змішуваність – змішувані рідини: вода та спирт.

2) Обмежена взаєморозчинність – змішувані рідини: вода та етер.

3) Практично повна незмішуваність – змішувані рідини: вода й гексан.

Розчинність твердих речовин у рідинах. Для більшості твердих речовин розчинність із підвищенням температури збільшується. Це почасти можна пояснити тим, що розчинення твердих речовин супроводжується поглинанням тепла (∆Н_ф.п. > ∆Н_сольв.) та згідно принципу Ле-Шательє рівновага зсувається у бік ендотермічної реакції, тобто у бік розчинення. На відміну від газів на розчинність твердих речовин тиск практично не впливає.

Питання для самоперевірки

1. Які бувають типи розчинів? Їхня характеристика.

2. Які способи виразу вмісту розчиненої речовини у розчині вам відомі?

3. У яких одиницях виражається еквівалентна молярна концентрація?

4. Якими тепловими ефектами супроводжуються процеси розчинення?

5. Як розчиняються речовини у різних аґреґатних станах у рідинах?

КОНТРОЛЬНІ ЗАВДАННЯ.

1. Обчисліть молярну й еквівалентну молярну концентрації 20-відсоткового розчину кальцій хлориду густиною 1,178 г/см³.

Відповідь: 2,1 моль/л; 4,2 моль/л.

2. Обчисліть молярну й еквівалентну молярну концентрації 16-відсоткового розчину алюміній хлориду густиною 1,149 г/см³.

Відповідь: 1,38 моль/л; 4,14 моль/л.

3. Змішали 247 г 62-відсоткового й 145 г 18-відсоткового розчинів сульфатної кислоти. Якою є масова частка (%) кислоти в отриманому розчині?

Відповідь: 45,72 %.

4. З 700 г 60-відсотковоої сульфатної кислоти випарюванням видалили 200 г води. Чόму дорівнює масова частка (%) кислоти у розчині, що залишився?

Відповідь: 84 %.

5. З 10 кг 20-відсоткового розчину при охолодженні виділилося 400 г солі. Яка масова частка (%) солі в охолодженому розчині?

Відповідь: 16,7 %.

6. Обчисліть масову та молярну частки розчиненої речовини у розчині, отриманому розчиненням 170 м аміаку в 1 л води.

Відповідь: 14,53 %; 0,15.

7. Густина розчину з масовою часткою KCl 22 % дорівнює 1,147 г/см³. Скільки молів KCl знаходиться в 2,5 л розчини?

Відповідь: 8,47 моль.

8. Визначте об’єм розчину з еквівалентною молярною концентрацією 2 моль/л, який можна одержати з 28,6 г Na₂CO₃  10H₂O.

Відповідь: 0,1 л.

9. Обчисліть, скільки води і HF треба взяти, щоб приготувати 200 мл розчину з масовою часткою HF 50 % ( = 1,155 г/см³). Визначте молярну концентрацію цього розчину?

Відповідь: по 115,5 г HF і Н₂О; 28,875 моль/л.

10. Які молярна й еквівалентна молярна концентрації розчину амоній сульфату з  ((NH₄)₂SO₄) = 50 % ( = 1,282 г/см³).

Відповідь: 4,86 моль/л; 9,61 моль/л.

11. Скільки грамів BaCl₂ міститься в 25 мл розчину з C_eq. = 0,5 моль/л?

Відповідь: 1,3 г.

12. Визначте молярну й еквівалентну молярну концентрації розчину з масовою часткою H₂SO₄ 98 % і густиною 1,84 г/см³.

Відповідь: 18,4 моль/л; 36,8 моль/л.

13. Скільки грамів кальцій хлориду знадобиться для приготування 2 л розчину з масовою часткою солі 20 %, густина якого дорівнює 1,177 г/см³?

Відповідь: 470,8 г.

14. Визначте масову частку BaCl₂ у розчині, отриманому при розчиненні 22,4 г BaCl₂  2H₂O у 140 г води.

Відповідь: 12,8 %.

15. Скільки грамів FeSO₄ міститься в 5 л розчину з еквівалентною молярною концентрацією солі 0,4 моль/л?

Відповідь: 152 г.

16. У 2 кг води розчинено 28,75 г ZnSO₄  7H₂O. Обчисліть масову частку кристалогідрату та безводного цинк сульфату в розчині.

Відповідь: 1,42 %; 0,8 %.

17. З 170 г 80-відсоткового розчину при охолодженні виділилося 24 г речовини. Чόму дорівнює масова частка (%) цієї речовини в розчині, що залишився?

Відповідь: 76,71 %.

18. Скільки грамів Pb(NO₃)₂ треба розчинити в 1 кг води, щоб приготувати розчин із масовою часткою плюмбум (ІІ) нітрату 38 %?

Відповідь: 612,9 г.

19. Обчисліть молярну концентрацію розчину Ва(NO₃)₂, у 80 мл якого міститься 2,61 г розчиненої речовини. Якою є його еквівалентна молярна концентрація?

Відповідь: 0,125 моль/л; 0,25 моль/л.

20. Скільки грамів Na₂CO₃  10H₂O треба взяти, щоб приготувати 5 л розчину з масовою часткою Na₂CO₃ 15 % ( = 1,16 г/см³).

Відповідь: 2347,36 г.

21. Яка маса HNO₃ містилася в розчині, якщо на його нейтралізацію знадобилося 35 см³ розчину з C_eq.(NaOH) = 0,4 моль/л?

Відповідь: 0,882 г.

22. На нейтралізацію 1 л розчину, що містить 1,4 г КОН, знадобилося 50 мл розчину кислоти. Обчисліть еквівалентну молярну концентрацію кислоти.

Відповідь: 0,5 моль/л.

23. Яку масу NaNO₃ треба розчинити в 400 г води, щоб приготувати розчин з масовою часткою натрій нітрату 20 %?

Відповідь: 100 г.

Приклади розв’язання задач

Приклад 1. У 250 г води розчинено 50 г кристалогідрату FeSO₄  7Н₂О. Обчислити масову частку кристалогідрату та безводного сульфату заліза (ІІ) у розчині.

Розв’язання. Маса отриманого розчину складає 250 + 50 = 300 г. Масову частку кристалогідрату знаходимо за формулою

Обчислюємо масу безводної солі в 50 г кристалогідрату. Молярна маса FeSO₄  7Н₂O дорівнює 278 г/моль, а молярна маса FeSO₄ складає 152 г/моль. Вміст FeSO₄ у 50 г FeSO₄  7Н₂О знаходимо з пропорції

у 278 г FeSO₄  7Н₂О міститься 152 г FeSO₄;

а в 50 г FeSO₄  7Н₂О – Х г FeSO₄;

Х = (50  152) : 278 = 27,34 г.

Звідси масова частка безводної солі в 300 г розчину дорівнює:

Приклад 2. З 200 г водного розчину з масовою часткою розчиненої речовини 50 % при охолодженні виділилося 20 г цієї речовини. Обчислити масову частку речовини в розчині, що залишився .

Розв’язання. Визначаємо масу речовини у вихідному розчині

г.

Маса розчину після охолодження дорівнює 200 – 20 = 180 г, а маса солі становитиме: 100 – 20 = 80 г. Таким чином, обчислюємо масову частку солі в розчині, що залишився:  = (80  100) : 180 = 44,44 %.

Приклад 3. Обчислити молярну концентрацію розчину ВаСl₂, у 40 мл якого міститься 1,04 г розчиненої речовини. Якою є його еквівалентна молярна концентрація?

Розв’язання. Молярна маса ВаСl₂ становить 208 г/моль, а еквівалентна маса Е(ВаСl₂) = М(ВаСl₂) : 2 = 104 г/моль. Об’єм розчину – 0,04 л. Обчислюємо молярну й еквівалентну молярну концентрації ВаСl₂

моль/л.

Підставивши замість М(ВаСl₂) Е(ВаСl₂), маємо С_eq(ВаСl₂) = 0,25 моль/л.

Приклад 4. Обчислити молярну концентрацію розчину з масовою часткою НСl 36,5 %, густина якого  = 1,18 г/см³.

Розв’язання. Обчислюємо масу 1 л (1000 см³) розчину

m_р-ну =   V = 1,18  1000 = 1180 г.

Визначаємо масу розчиненої речовини в 1180 г розчину

; г.

Визначаємо С_М(НСl) у розчині, знаючи, що М(НСl) = 36,5 г/моль

моль/л.

Приклад 5. Який об’єм розчину нітратної кислоти з масовою часткою НNO₃  = 20 % ( = 1,115 г/см³) і який об’єм води треба взяти для приготування розчину НNO₃ з масовою часткою  = 4 % ( = 1,025 г/см³)?

Розв’язання. Знаходимо масу заданого розчину (m₂): m₂ = ₂  V₂ = 1,025 × × 2500 = 2562,5 г. Визначаємо масу НNO₃ у цьому розчині

; г.

Знаходимо масу вихідного розчину НNO₃ (m₁)

; г.

Далі визначаємо об’єм вихідного розчину

V₁ = m₁ : ₁ = 512,5 : 1,115 = 459,6 см³.

Нарешті знаходимо масу води: m(Н₂О) = m₂ – m₁ = 2562,5 – 512,5 = 2050 г.

Приклад 6. Який об’єм розчину з масовою часткою NaOH 36 % (₂ = 1,39 г/см³) треба додати до 200 мл розчину з масовою часткою NaOH 11 % (₁ = 1,12 г/см³), щоб одержати розчин із масовою часткою 20 %.

Розв’язання. За правилом змішування знаходимо співвідношення мас вихідних розчинів: 36 9

20

11 16

Розчину з масовою часткою NaOH 36 % треба взяти 9 масових частин, а розчину з масовою часткою 11% – 16 масових частин.

Знайдемо масу розчину з масовою часткою NaOH 11 %:

m₁ = ₁  V₁ = 1,12  200 = 224 г.

Знайдемо масу розчину з масовою часткою NaOH 36 %:

16:9 = 224 : m₂; m₂ = (224  9) : 16 = 126 г.

Визначимо об’єм розчину з масовою часткою NaOH 36 %:

V₂ = m₂ : ₂ = 126 : 1,39 = 90,65 см³.

Приклад 7. До розчину КОН (₁ = 1,32 г/см³) об’ємом 50 мл додали воду об’ємом 150 мл. Одержався розчин КОН з масовою часткою 10 %. Обчисліть масову частку (%) КОН у вихідному розчині.

Розв’язання. Знайдемо масу вихідного розчину (m₁)

m₁ = ₁  V₁ = 1,32  50 = 66 г.

Визначимо масу розведеного розчину (m₂)

m₂ = m₁ + m(Н₂О) = 66 + 150 = 216 г.

Обчислимо масу КOН в отриманому розчині

г.

А масова частка КOН у вихідному розчині:

.