Физическая химия: конспект лекций.
2. Концентрация и способы ее выражения.
Концентрация – количество растворенного вещества, содержащееся в определенном количестве раствора или растворителя. При определении концентрации растворов используются различные методы аналитической химии: весовые, объемные, а также методы, основанные на измерении плотности, показателя преломления и других физико-химических свойств.
Виды концентрации.
Массовая доля растворенного вещества в растворе ω, % – отношение массы вещества к массе раствора:
Пример: пусть m(СаСl2) = 10 г, тогда ω(СаСl2) = (10/100) ґ 100% = 10%.
Молярность раствора – число молей растворенного вещества в одном литре раствора.
Пример: 1 моль Н2SО4 – 98 г, до одного литра надо добавить воду.
Моляльность – число молей растворенного вещества на 1000 г растворителя. Пример:
Н2SО4 – 98 г/моль+1000 г Н2О.
Мольная доля растворенного вещества в растворе, N.
Где n1 – растворенное вещество (моль);
n2 – растворитель (моль).
Пример: имеем 20% NаОН (едкий натр).
Титр – число растворенного вещества в одном миллилитре раствора. Существует титриметрический анализ – метод количественного анализа, при котором содержание определяемого вещества Х рассчитывают на основании измерения количества реактива, затраченного на взаимодействие с Х, выполнение реакции в титриметрическом анализе является конечной стадией анализа. Пример: объем кислоты оттитруем щелочью каплями до исчезновения окрас-ки – полная нейтрализация. При титровании.
Где Н – нормальность – число моль-эквивалентов растворенного вещества в одном литре раствора.
Основной характеристикой растворов является их растворимость – масса вещества, способная раствориться в ста граммах растворителя при данной температуре; этот процесс сопровождается тепловым эффектом. Количественно растворимость твердого тела, газа, жидкости в жидком растворителе определяется концентрацией насыщенного раствора при данной температуре, т. е. сколько вещества по массе (объему) в данном растворителе. Пример: m(NаСl) – 58,5 г на 100 г Н2О при данной температуре. Насыщенный раствор – раствор, находящийся в равновесии, с избытком растворяемого вещества. Пересыщенный – неустойчивый раствор, содержащий больше вещества, чем это определяется его растворимостью.
Качественная характеристика состоит в способности растворяться или не растворяться, например, сера в воде не растворяется, йод в воде практически нерастворим. Процесс растворения состоит из двух стадий:
1. Растворимость в воде твердых веществ (разрушение кристаллов – эндотермическая реакция, т. е. тепло поглощается –q1).
2. Отдельные частицы взаимодействуют с водой, этот процесс носит название – гидратация, при ней тепло выделяется +q2
Qраствореия = –q1 + q2.
Если –q1 > q2, то суммарный эффект отрицателен (–Q), если наоборот, то положителен (+Q).
ΔН = 0 – одинаковые эффекты, ΔН < 0 – тепло выделяется, ΔН > 0 – тепло поглощается.
Тепловой эффект растворения – количество тепла одного моля вещества.
вещество + растворитель ↔ насыщенный раствор + Q.
То вещество, которое растворяется с понижением температуры, увеличивает свою растворимость. Рассмотрим растворимость некоторых веществ. Пример, NН4NО3 – нитрат аммония, растворимость падает до нуля, эндотермический эффект реакции. Рассмотрим стадии подробно: на первой стадии – эффект разрушения кристаллической решетки, эндотермический. На второй – равномерное распределение по объему с водой, гидратация – экзотермический.
q1 > q2 → – Q – тепло поглощается,
ΔН > 0.
Другой пример, NаОН – едкий натр, экзотермический эффект реакции,
q1 < q2 → +Q – тепло выделяется.
Значит, растворимость определяется природой соли вещества и растворителя.
Другой характеристикой растворов является диэлектрическая проницаемость – во сколько раз сила взаимодействия между двумя зарядами меньше, чем в вакууме.
Если растворить в ста миллилитрах водопроводной воды 10 г едкого натра NаОН, то температура резко повышается до 60 оС (температура воды из водопроводного крана +20 оС).
Если растворить 40 г нитрата аммония NН4NО3 в 100 мл этой же воды, то температура резко понижается от +20 оС до –7 оС.
Если растворить хлорид натрия NаСl в 100 мл водопроводной воды, то температура не изменяется.