Свойства истинных растворов

Растворы характеризуются рядом свойств: концентрацией, давлением насыщенного пара, осмотическим давлением и т. д. Рассмотрим некоторые из них.

Важнейшим свойством растворов является концентрация.

Концентрация раствора — это масса или количество вещества в единице массы (объема) растворителя или раствора.

Различают два типа концентраций — массовые и объемные.

Массовые концентрации показывают содержание массовых частей растворенного вещества в единице массы раствора. К ним относят растворимость, массовую долю^[1] растворенного вещества в долях единицы или в процентах. Рассмотрим эти виды массовых концентраций.

Растворилюсть характеризует способность вещества к растворению в конкретных условиях.

Как концентрация растворимость — количество массовых частей (мае. ч.) растворенного вещества, способное образовывать насыщенный раствор в 100 мае. ч. растворителя.

По растворимости вещества подразделяют на практически нерастворимые (карбонат кальция), плохо (гидроксид кальция) и хорошо (гидроксид натрия) растворимые.

По содержанию растворенного вещества относительно его растворимости различают ненасыщенные, насыщенные и пересыщенные (перенасыщенные) растворы.

Ненасыщенными называют растворы, в которых содержание растворенного вещества меньше, чем это необходимо для образования насыщенного раствора при данной температуре (например, 5%-й раствор хлорида натрия при 20 °С).

Насыщенными являются растворы, в которых видимого растворения вещества при данной температуре не наблюдается, т. е. в этих растворах осуществляется химическое равновесие между веществами, находящимися вне раствора, и его частицами в растворе, когда растворяемое вещество и раствор находятся в контакте:

В этом случае протекает процесс постоянного растворения вещества и выделения его из раствора, а скорости v этих процессов одинаковы:

Перенасыщенными считаются растворы, содержащие растворенного вещества больше, чем это необходимо для образования насыщенного раствора при данной температуре (например, сахарные сиропы при комнатной температуре и т. д.).

Перенасыщенные растворы способны образовывать вещества, у которых растворимость значительно увеличивается с ростом температуры; вещество (например, сахар) растворяют при высокой температуре, а потом осторожно охлаждают; в этом случае кристаллизации не происходит и образуется перенасыщенный раствор (сахарный сироп). Перенасыщенные растворы неустойчивы, что наблюдается при «засахаривании» варенья, меда и т. д.

Растворимость иногда выражают в молях растворенного вещества на килограмм растворителя либо в граммах растворенного вещества на килограмм растворителя при данной температуре; в пос;

Рис. 2.1. Кривые растворимости веществ: а — твердых; 6— газообразных леднем случае эту величину называют коэффициентом растворимости.

Растворимость веществ зависит от природы растворенного вещества и растворителя, от температуры, а для газов и от внешнего давления. Так, неполярные вещества лучше растворяются в неполярных, чем в полярных растворителях, например бензол растворяет серу, а вода нет. Зависимость растворимости от температуры называется кривой растворимости (рис. 2.1). Необходимо уметь решать задачи с использованием кривых растворимости.

Растворимость газов в жидкостях тем больше, чем меньше температура и больше давление.

В настоящее время используют понятие «массовая доля растворенного вещества», которое в строгом смысле концентрацией не считается.

Массовая доля растворенного вещества w выражается в долях единицы и является частным от деления массы растворенного вещества т_{р в} на массу раствора /и_р._р:

Выражают массовую долю растворенного вещества и в процентах:

По физическому смыслу массовая доля растворенного вещества, выраженная в процентах, является массовой процентной концентрацией растворенного вещества.

Массовая процентная концентрация — содержание мае. ч. (мг, г, кг и т. д.) растворенного вещества в 100 мае. ч. раствора. Например, 3%-й водный раствор соли означает, что в 100 мае. ч. раствора содержится 3 мае. ч. соли и 97 мае. ч. воды.

Объемные концентрации показывают содержание растворенного вещества в единице объема растворителя или раствора.

Существует большое число видов таких концентраций, из которых рассмотрим объемную долю, молярную концентрацию, молярную концентрацию эквивалента и титр.

Объемная доля ф растворенного вещества выражается в долях единицы, является частным от деления объема растворенного вещества У на объем раствора К_{р р}:

Объемную долю выражают и в процентах:

В строгом смысле объемную долю не считают видом концентраций, так как она нс является размерной величиной.

Объемная доля в процентах соответствует объемной процентной концентрации.

Объемная процентная концентрация — содержание объемов (мл, лит. д.) в 100 объемах раствора. Так, 21% (по объему) кислорода в воздухе означает, что в 100 объемах (л, м³ и т. д.) воздуха содержится 21 объем кислорода и 79 объемов других газов, входящих в состав воздуха.

Молярная концентрация с — концентрация, показывающая, сколько молей растворенного вещества содержится в 1 л раствора; ее размерность моль/л.

Исходя из определения понятия «молярная концентрация» справедливо утверждение: 1 л (1000 мл) 1 М (одномолярного) раствора содержит 1 моль растворенного вещества (число г = М_в._т).

Молярная концентрация эквивалента с_ж, н. — концентрация, показывающая количество эквивалентов растворенного вещества, содержащееся в 1 л раствора.

Исходя из определения понятия «молярная концентрация эквивалента», справедливо утверждение: 1 л (1000 мл) 1 н. (однонормального) раствора содержит 1 Э' растворенного вещества, где Э' — эквивалент; т_ж — молярная масса эквивалента.

Молярная концентрация с и молярная концентрация эквивалента с_эк взаимосвязаны отношением:

где а — число эквивалентов, содержащихся в 1 моль вещества, равное числу, на которое делят молярную массу при нахождении молярной массы эквивалента [см. формулы (1.5)—(1.16)].

Титр Т — объемная концентрация, показывающая массу (в г) растворенного вещества, содержащуюся в 1 мл (1см³) раствора, единица измерения г/мл. Например, Т— 0,02 для раствора гидроксида натрия означает, что в 1 мл содержится 0,02 г этого вещества.

Другим важным свойством растворов является их плотность р — масса определенного объема раствора, выраженная в соответствующих единицах: или в г/мл (г/см³), или в кг/л (кг/дм³), или в т/м³, а в СИ — (тысячи кг)/м³ (для жидких и твердых систем); для газообразных систем плотность измеряется в г/л (дм³), а в СИ — кг/м³. Исходя из плотности раствора, зная его объем, можно рассчитать массу раствора [см. формулу (1.33)].

Чем больше концентрация раствора, тем больше его плотность. Правильное понимание сущности понятия «плотность» делает возможным умение решения задач, связывающих плотность и концентрацию растворов, а также других расчетных задач, связанных с плотностью.

В системах взаимосвязанных между собой растворов возникает осмотическое давление, результатом которого является осмос (см. 1.5.2).

Осмотическое давление — сила, под воздействием которой реализуется осмос, т. е. односторонняя диффузия молекул растворителя из раствора с более высокой концентрацией в раствор с меньшей концентрацией, которые разделены полупроницаемой мембраной.

За счет осмотического давления возможно поглощение воды из почвы и ее движение от клетки к клетке в любом многоклеточном организме, а также выделение избытка воды из клеток.

Важным свойством растворов является давление насыщенного пара над раствором, возникающее над ним, когда он находится в замкнутой системе.

Жидкость, контактируя с внешней средой, всегда испаряется, а когда она находится в замкнутой системе, то над ней создается определенное давление ее паров, которое имеет строго определенное значение для данной температуры. Растворение в ней нелетучего вещества понижает упругость насыщенного пара, уменьшает температуру кристаллизации (плавления) и увеличивает температуру кипения. Знание закономерностей влияния растворенных веществ на давление насыщенных паров над растворами позволяет решать сложные задачи по управлению процессами перегонки, получения различных твердых и жидких смесей, широко применяемых в хозяйственной деятельности человека. Они позволяют понимать некоторые экологически важные процессы (теплообмен в живом организме, влияние относительной влажности и т. д.).

• ? Задания для самостоятельной работы
• 1. Поясните, чем объемные концентрации отличаются от массовых.
• 2. Поясните, что означает 0,5%-й раствор хлорида бария в воде.
• 3. Поясните, что означает выражение: «массовая доля гидроксида натрия в растворе равна 0,2».
• 4. Поясните, что означает выражение: а) объемная доля кислорода в воздухе равна 0,2; б) содержание кислорода в воздухе — 21% (по объему); в) содержание кислорода в воздухе 23% (по массе).
• 5. Рассчитайте процентное содержание (по массе) соли в насыщенном растворе, если растворимость при данной температуре равна 25. Ответ: 20%.
• 6. Поясните, что общего и в чем различие молярной концентрации от молярной концентрации эквивалента, и рассчитайте молярную концентрацию карбоната калия, если с_эк = 0,8 моль-экв/л. Ответ: 1,6 моль/л.
• 7. Рассчитайте процентное содержание щелочи в растворе (по массе), если 2 мл этой щелочи (КОН) содержат 0,3 г, а плотность раствора — 1,2. Ответ: 12,5%.
• 8. Поясните, чем осмос отличается от обычной диффузии, приведите примеры значения осмоса в природных экологических процессах.
• 9. Рассчитайте плотность раствора, полученного при растворении 6 моль медного купороса в 2 л воды (^ = V_WJUJ). Ответ: 1,75 кг/л.
• 10. Приведите два примера, иллюстрирующих экологическую роль давления насыщенного пара над раствором.

• [1] Ранее использовали термин «массовая процентная концентрация».