Способы выражения состава растворов

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 6

Водородный показатель (рН)

В воде всегда присутствует немного катионов водорода и гидроксид-ионов, которые образуются в результатеобратимой диссоциации:

H₂O H⁺ + OH^-

В 1 л чистой воды при комнатной температуре содержится 1 ^.10-7 моль катионов водорода и 1 ^.10-7 моль гидроксид-ионов.
Поскольку оперировать числами такого порядка неудобно, для количественной характеристики кислотности среды используют так называемый водородный показатель рН ("пэ аш", от латинского "pundus hydrogenium" - "вес водорода"). Каждое значение рН отвечает определенному содержанию катионов водорода в 1 л раствора.
В чистой воде и в нейтральных растворах, где в 1 л содержится 1 ^.10^-7 моль катионов водорода, значение рН равно 7.
В растворах кислот содержание катионов водорода увеличивается, а содержание гидроксид-ионов уменьшается, в растворах щелочей наблюдается обратная картина. В соответствии с этим меняется и значение водородного показателя (рН).
Кислоты, попадая в воду, диссоциируют, и содержание катионов водорода в расчете на 1 л раствора становится больше 1^.10^-7 моль.
Сильные кислоты в водной среде диссоциируют необратимо. Например, хлороводородная кислота полностью превращается в катионы водорода H⁺ и хлоридные анионы Cl^-:

HCl = H⁺ + Cl^-

Если в 1 л водного раствора содержится 1 ^.10^-2 моль HCl, то катионов водорода H⁺ в этом объеме тоже 1 ^.10^-2 моль. Значение водородного показателя (рН) для этого раствора оказывается равным 2. Когда в том же объеме раствора содержится 1 ^.10^-3 моль HCl, то катионов H⁺ становится уже 1 ^.10^-3 моль (рН = 3), если хлороводородной кислоты 1 ^.10^-4моль, то содержание H⁺ - 1 ^.10^-4 моль (рН = 4), и т.д.

Диссоциация слабых кислот, например угольной, протекает обратимо:

H₂CO₃ H⁺ + HCO₃^-

Далеко не все присутствующие в растворе молекулы H₂CO₃ превращаются в катионы H⁺ и анионы HCO₃^-. Тем не менее катионов H⁺ в растворах таких кислот больше, чем в чистой воде (например, 1 ^.10^-5 или 1 ^.10^-6 моль в каждом литре раствора).
Таким образом, в растворах кислот катионов водорода в 1 л раствора содержится всегда больше, чем 1 ^.10^-7, а рН оказывается меньше 7. Водородный показатель рН, меньший 7, отвечает кислотной среде раствора.
Если рН находится в интервале 5-7, то среда раствора считается слабокислотной, если рН меньше 5, тосильнокислотной: чем сильнее кислота, тем ниже значение рН.

В результате диссоциации оснований в водном растворе появляются гидроксид-ионы, которые связывают катионы водорода, присутствующие в чистой воде, и уменьшают их количество в щелочном растворе:

NaOH = Na⁺ + OH^-
H⁺ + OH^- = H₂O

Растворение в 1 л воды 1 ^.10^-2 моль сильного основания - гидроксида натрия NaOH - приводит к появлению 1 ^.10^-2 моль гидроксид-ионов. Содержание катионов водорода в полученном растворе оказывается равным 1 ^.10^-12 моль, а рН принимает значение 12.
Если в 1 л воды растворить 1 ^.10^-3 моль NaOH, то гидроксид-ионов получится 1 ^.10^-3 моль (1 ^.10^-11 моль катионов H⁺, рН = 11).
Растворение в том же объеме 1 ^.10^-4 моль NaOH даст 1 ^.10^-4 моль OH^- (1 ^.10^-10 моль катионов H⁺, рН = 10), и т.д.
Таким образом, в растворах оснований содержание катионов водорода всегда меньше 1 ^.10^-7 моль в 1 л, а водородный показатель (рН) - больше 7. Среда в таких растворах щелочная.

Для растворов сильных оснований, диссоциация которых идет необратимо, значение рН будет существенно выше 7. Диссоциация слабых оснований, например, гидрата аммиака, протекает лишь частично, гидроксид-ионов в этом случае образуется меньше, и рН не столь заметно превышает значение, характерное для нейтральной среды. Раствор считаетсяслабощелочным при рН от 7 до 9 и сильнощелочным при рН выше 9.

Значения водородного показателя (рН) водных растворов распространенных веществ обычно находятся в интервале от 1 до 13. Приближенно оценить рН растворов можно с помощью кислотно-основных индикаторов. Для более точного измерения водородного показателя используют приборы - рН-метры.

16.-

17. Согласно второму началу термодинамики при р, Т = = const вещества самопроизвольно могут растворяться в каком-либо растворителе, если в результате этого процесса энергия Гиббса системы уменьшается, т. е.

ΔG = (ΔН – TΔS) < 0.

Величину ΔН называют энтальпийным фактором, а величину TΔS – энтропийным фактором растворения.

При растворении жидких и твердых веществ энтропия системы обычно возрастает (ΔS > 0), так как растворяе–мые вещества из более упорядоченного состояния пе–реходят в менее упорядоченное. Вклад энтропийного фактора, способствующий увеличению растворимости, особенно заметен при повышенных температурах, по–тому что в этом случае множитель Т велик и абсолютное значение произведения TΔS также велико, соответст–венно возрастает убыль энергии Гиббса.

При растворении газов в жидкости энтропия системы обычно уменьшается (ΔS < 0), так как растворяемое вещество из менее упорядоченного состояния (боль–шого объема) переходит в более упорядоченное (ма–лый объем). Снижение температуры благоприятствует растворению газов, потому что в этом случае множи–тель Т мал и абсолютное значение произведения TΔS будет тем меньше, а убыль энергии Гиббса тем больше, чем ниже значение Т.

В процессе образования раствора энтальпия систе–мы также может как увеличиваться (NaCI), так и умень–шаться (КОН). Изменение энтальпии процесса раство–рения нужно рассматривать в соответствии с законом Гесса как алгебраическую сумму эндо– и экзотермиче–ских вкладов всех процессов, сопровождающих про–цесс растворения. Это эндотермические эффекты раз–рушения кристаллической решетки веществ, разрыва связи молекул, разрушения исходной структуры рас–творителя и экзотермические эффекты образова–ния различных продуктов взаимодействия, в том числе сольватов.

Для простоты изложения приращение энтальпии раст–ворения ΔНраств можно представить как разность энер–гии Екр, затрачиваемой на разрушение кристаллической решетки растворяемого вещества, и энергии Есол, выде–ляющейся при сольватации частиц растворенного веще–ства молекулами растворителя. Иначе говоря, измене–ние энтальпии представляет собой алгебраическую сумму изменения энтальпии ΔНкр в результате разруше–ния кристаллической решетки и изменения энтальпии ΔНсол за счет сольватации частицами растворителя:

ΔНраств = ΔНкр + ΔНсол,

где ΔНраств – изменение энтальпии при растворении.

Однако растворение благородных газов в органичес–ких растворителях нередко сопровождается поглоще–нием теплоты, например гелия и неона в ацетоне, бен–золе, этаноле, циклогексане.

При растворении твердых веществ с молекулярной кристаллической структурой и жидкостей молекуляр–ные связи не очень прочные, и поэтому обычно ΔНсол > ΔНкр Это приводит к тому, что растворение, например, спиртов и сахаров представляет собой экзотермиче–ский процесс (ΔНраств < 0).

При растворении твердых веществ с ионной решет–кой соотношение энергий Екр и Есол могут быть различ–ным. Однако в большинстве случаев энергия, выделяе–мая при сольватации ионов, не компенсирует энергию, затрачиваемую на разрушение кристаллической решет–ки, следовательно, и процесс растворения является эн–дотермическим.

Таким образом, термодинамические данные позво–ляют прогнозировать самопроизвольное растворение различных веществ на основе первого и второго начал термодинамики.

18. 6.4. СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ СОСТАВА РАСТВОРОВ

Концентрация вещества в растворе - физическая величина (размерная или безразмерная), количественно определяющая состав раствора. Основные способы выражения состава растворов приведены в таблице 6.2.

На практике состав растворов выражают с помощью следующих величин: безразмерных - массовая и молярная доли и размерных - молярная концентрация вещества, молярная концентрация вещества эквивалентов, моляльность и титр (см. табл. 6.2).

Таблица 6.2.

Название и символ

Определение

Размерность

Формула

Примечание

Массовая доля растворенного вещества В, w (B)

Отношение массы растворенного вещества В (m_B) к массе раствора (m_Р).

Безразмерная величина

w (NaOH) = 0,2

или

w (NaOH) = 20%

в 100 масс.ч. раствора содержится 20 масс. ч.NaOH

Молярная доля растворенного вещества В, x_B

Отношение количества второго вещества (n_B) к суммарному количеству всех веществ, входящих в состав раствора, включая растворитель

(å n_i = n_B + n₁ + n₂ + ... n_i)

Безразмерная величина

x_HCl = 0,02 или

x_HCl = 2% -

содержание хлороводорода равно двум молярным процентам

Моляльность вещесства В в растворе, C_m(B)

Отношение количества растворенного вещества В (n_B) к массе растворителя (m_B) в кг

моль/кг = Мн

C_m(H₂SO₄) = 0,1 моль/кг

C_m(H₂SO₄) = 0,1 Мн

в растворе на 1 кг H₂Oприходится 0,1 мольH₂SO₄. Раствор называют децимолярным

Молярная концентрация вещества В, C_B

Отношение количества растворенного вещества В (n_B) к объему раствора (V_Р)

моль/л = М

C(KCl) = 2 моль/л

C(KCl) = 2 М -

в 1 л раствора содержится 2 моль KCl

Молярная концентрация эквивалентов вещества В,C_эк(B)

Отношение количества эквивалентов растворенного вещества В (n_эк) к объему раствора (V_Р)

моль/л = н

C_эк(Na₂CO₃) = 0,01моль/л

C_эк(Na₂CO₃) = 0,01 н

в 1 л раствора содержится 0,01 моль эквивалентов Na₂CO₃ - сантимолярный раствор

Произведение молярной концентрации эквивалентов вещества В (C_эк(B)) на объем раствора (V_Р) равно количеству эквивалентов этого вещества (n_эк(B)). Поэтому закон эквивалентов: n_эк(A) + n_эк(B) для растворов имеет вид:

C_эк(A)·V_P(A) = C_эк(B)·V_P(B).

Это уравнение очень часто используют в расчетах, особенно в аналитической химии.

Титр раствора вещества B

Концентрация стандартного раствора, равная массе вещества В (m_B), содержащегося в 1 мл раствора

г/мл

T(NaCl) = 0,0250 г/мл

в 1 мл раствора содержится 0,0250 гNaCl

Познавательные статьи:



Организация работы процедурного кабинета

Статус республик в составе РФ

Понятие финансов, их функции и особенности

Сущность демографической политии