18. Растворы: классификация растворов.
Растворы – это гомогенные смеси двух или нескольких веществ, содержание каждого из компонентов в которых может непрерывно изменяться.
Растворы бывают:
Жидкое – растворение двух жидкостей или растворение газа или твердого тела в данной жидкости.
Твердый раствор – однородные системы, состоящие из двух и более твердых компонентов.
Газообразное (смесь газов) – могут смешиваться при не слишком высоких давлениях в любых соотношениях независимо от своей химической природы.
В зависимости от размеров частиц растворы делятся на истинные и коллоидные. В истинных растворах (часто называемых просто растворами) растворенное вещество диспергировано до атомного или молекулярного уровня, частицы растворенного вещества не видимы ни визуально, ни под микроскопом, свободно передвигаются в среде растворителя. Истинные растворы – термодинамически устойчивые системы, неограниченно стабильные во времени.
Растворы веществ с молярной массой меньше 5000 г/моль называются растворами низкомолекулярных со–единений (НМС), а растворы веществ с молярной мас–сой больше 5000 г/моль – растворами высокомолеку–лярных соединений (ВМС).
По наличию или отсутствию электролитической дис–социации растворы НМС подразделяют на два клас–са – растворы электролитов и неэлектролитов.
Растворы электролитов – растворы диссоции–рующих на ионы солей, кислот, оснований, амфо-литов. Например, растворы KNО3, HCl, КОН, Аl(ОН)3 , глицина.
Электрическая проводимость растворов электро–литов выше, чем растворителя.
Растворы неэлектролитов – растворы веществ, практически не диссоциирующих в воде. Например, растворы сахарозы, глюкозы, мочевины. Электриче–ская проводимость растворов неэлектролитов мало отличается от растворителя.
Растворы НМС (электролитов и неэлектролитов) на–зываются истинными в отличие от коллоидных раство–ров. Истинные растворы характеризуются гомоген–ностью состава и отсутствием поверхности раздела между растворенным веществом и растворителем. Раз–мер растворенных частиц (ионов и молекул) меньше 10-9м.
Большинство ВМС – полимеры, молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повто–ряющихся группировок или мономерных звеньев, со–единенных между собой химическими связями. Раство–ры ВМС называются растворами полиэлектролитов.
К полиэлектролитам относятся поликислоты (гепа–рин, полиадениловая кислота, полиаспарагиновая кис–лота и др.), полиоснования (полилизин), полиамфоли-ты (белки, нуклеиновые кислоты).
Свойства растворов ВМС существенно отличаются от свойств растворов НМС. Поэтому они будут рас–смотрены в отдельном разделе. Данная глава посвя–щена растворам низкомолекулярных электролитов, амфолитов и неэлектролитов.
19. Давление насыщенного пара над раствором, эбулиоскопия, криоскопия, осмос и осмотическое давление.
Давление насыщенного пара над раствором равно произведению его давления над чистым растворителем на его мольную долю. (Закон Рауля).
Между жидкостью и ее насыщенным паром существует динамическое равновесие
жидкость↔
насыщенный пар, т.е. число молекул
жидкости, испаряющихся с поверхности,
равно числу конденсирующихся молекул.
Этому равновесию соответствует давление
насыщенного пара растворителя над
чистым растворителем
Нижний индекс (1) обозначает то, что свойство относится к растворителю; (2) – к растворенному веществу, а верхний индекс (о) указывает на то, что это свойство вещества в чистом состоянии; в данном случае это свойство чистого растворителя. В 1882 г. французский ученый Рауль сформулировал закон, названный его именем: давление насыщенного пара растворителя над раствором пропорционально молярной доле растворителя:
Выражение для молярной массы растворенного вещества
Следовательно, измеряя экспериментально давление насыщенного пара растворителя над раствором можно определить молярную массу растворенного вещества.
Эбулиоскопия (от лат. ebulio — вскипаю) — метод исследования растворов, основанный на измерении повышения их температуры кипения по сравнению с чистым растворителем. Используется для определения молекулярной массы растворенного вещества, активности растворителя, степени диссоциации (или изотонического коэффициента).
Температура кипения жидкости — такая температура, при которой давление пара над жидкостью равно внешнему давлению. В то же время давление пара над раствором нелетучего вещества практически полностью определяется давлением пара растворителя и, в соответствии с законом Рауля, может быть выражено уравнением:
где x1 — мольная доля растворителя.
Видно, что при повышении концентрации растворенного вещества давление пара над раствором будет снижаться, а следовательно, при неизменном внешнем давлении, будет расти температура кипения.
С учетом уравнения Клапейрона — Клаузиуса можно показать[1], что изменение температуры кипения раствора (ΔTboil) может быть рассчитано по формуле:
где ΔHboil — энтальпия испарения;
M1 — молярная масса растворителя;
n2 — моляльная концентрация растворенного вещества.
Криоскопия (от греч. κρύο — холод и греч. σκοπέω смотрю) — метод исследования растворов, в основе которого лежит измерение понижения температуры замерзания раствора по сравнению с температурой замерзания чистого растворителя. Был предложен Ф. Раулем в 1882 году.
Давление пара над раствором нелетучего вещества практически полностью определяется давлением пара растворителя и может быть выражено уравнением (согласно закону Рауля):
где x1 — мольная доля растворителя.
Видно, что оно ниже, чем давление пара над чистым растворителем, и снижается с ростом концентрации растворенного вещества.
О́смос (от греч. ὄσμος — толчок, давление) - самопроизвольный процесс перехода растворителя через полупроницаемую перегородку (мембрану) из растворителя в раствор или из менее концентрированного раствора в более концентрированный.
Осмотическим давлением называется величина, измеряемая минимальным гидравлическим давле–нием, которое нужно приложить к раствору, чтобы осмос прекратился.
Законы осмотического давления.
Вант-Гофф предложил эмпирическое уравнение для расчета осмотического давления разбавленных раст–воров неэлектролитов:
π = С(Х)RT,
где π – осмотическое давление, кПа;
С(Х) – молярная концентрация, моль/л;
R – универсальная газовая постоянная, равная
8,31 кПа – л/(моль – К);
Т – абсолютная температура, К.
Хотя закон Вант—Гоффа был установлен на основе экспериментальных данных, он может быть выведен из условий термодинамического равновесия при ΔG = 0. Поэтому этот закон следует рассматривать как следст–вие второго начала термодинамики.
Выражение в вышеуказанной форме аналогично уравнению Клапейрона—Менделеева для идеальных газов, однако эти уравнения описывают разные про–цессы.