РАСТВОРЫ
Понятие «раствор». Химическая теория растворов.
Формулировка и мотивация темы:
Растворы имеют важное значение в жизни и практической деятельности человека. Растворами являются все важнейшие физиологические жидкости (кровь, лимфа и т.д.). Организм – сложная химическая система, и все химические реакции в организме происходят в водных растворах. Именно по этой причине человеческий организм на 70 % состоит из воды, а сильное обезвоживание организма наступает быстро и является очень опасны состоянием.
Многие технологические процессы, например получение соды или азотной кислоты, выделение и очистка редких металлов, отбеливание и окрашивание тканей, протекают в растворах.
Чтобы понять механизм многих химических реакций, необходимо изучить процессы, протекающие в растворах.
Содержание занятий по теме «Растворы»:
1 занятие: Понятие «раствор». Виды растворов. Химическая теория растворов.
2 занятие: Способы выражения состава раствора. Решение задач на расчет, пересчет концентраций, задач на разведение.
3 занятие: Растворимость веществ. Теория электрохимической диссоциации С. Аррениуса.
4 занятие: Диссоциация солей, кислот и оснований в воде. Сильные и слабые электролиты. Диссоциация воды. Водородный показатель рН.
5 занятие: Реакциив растворах электролитов: реакции обмена, окислительно-восстановительные реакции, гидролиз солей.
6 занятие: Протолитическая теория. Неводные растворы. Самостоятельная работа (решение задач).
Понятие «раствор». Виды растворов
Раствор – твердая, жидкая или газообразная гомогенная система, состоящая из двух или более компонентов.
Гомогенная система состоит из одной фазы.
Фаза - часть системы, отделенная от других ее частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства (плотность, теплопроводность, электропроводность, твердость и т.д.) изменяются скачкообразно. Фаза может быть твердой, жидкой, газообразной.
Наиболее важным видом растворов являются жидкие растворы, но в широком смысле растворы также бывают еще твердые (сплав латунь: медь, цинк; сталь: железо, углерод) и газообразные (воздух: смесь азота, кислорода, углекислого газа и различных примесей).
Раствор содержит не менее двух компонентов, из которых один является растворителем, а другие – растворенными веществами.
Растворитель – это компонент раствора, находящийся в том же агрегатном состоянии, что и раствор. Растворителя в растворе по массе всегда больше, чем остальных компонентов. Растворенное вещество находится в растворе в виде атомов, молекул или ионов.
От растворов отличаются:
Суспензия – это система, состоящая из мелких твердых частиц, взвешенных в жидкости (тальк в воде)
Эмульсия – это система, в которой одна жидкость раздроблена в другой, не растворяющей ее жидкости (т.е. мелкие капли жидкости, находящихся в другой жидкости: например,бензин в воде).
Аэрозоль – газ со взвешенными в нем твердыми или жидкими частицами (туман: воздух и капли жидкости)
Суспензии, эмульсии и аэрозоли состоят из нескольких фаз, они не гомогенны и являются дисперсными системами. Суспезии, эмульсии и аэрозоли – не растворы!
Химическая теория растворов.
Растворитель химически взаимодействует с растворенным веществом.
Химическая теория растворов создана Д.И. Менделеевым в конце ХIХв. на основании следующих экспериментальных фактов:
1) Растворение любого вещества сопровождается поглощением или выделением теплоты. То есть растворение является экзотермической или эндотермической реакцией.
Экзотермический процесс – процесс, сопровождающийся выделением тепла во внешнюю среду (Q>0).
Эндотермический процесс – процесс, сопровождающийся поглощением тепла из внешней среды (Q<0).
(пример: растворение CuSO4 – экзотермический процесс, NH4Cl – эндотермический). Объяснение: чтобы молекулы растворителя могли оторвать частицы растворенного вещества друг от друга, необходимо затратить энергию (это эндотермическая составляющая процесса растворения), при взаимодействии частиц растворяемого вещества с молекулами растворителя энергия выделяется (экзотермический процесс). В результате тепловой эффект растворения определяется более сильной составляющей. (Пример: при растворении 1моль вещества в воде на разрыв его молекул потребовалось 250кДж, а при взаимодействии образовавшихся ионов с молекулами растворителя выделилось 450кДж. Каков суммарный тепловой эффект растворения? Ответ: 450-250=200кДж, экзотермический эффект, т.к. экзотермическая составляющая больше эндотермической ).
2) Смешение компонентов раствора с определенным объемом не дает суммы объемов (пример: 50 мл этилового спирта +50мл воды при смешении дают 95 мл раствора)
Объяснение: благодаря взаимодействию молекул растворенного вещества и растворителя (притяжению, химическому связыванию и т.п.) объем «экономится».
Внимание! Масса раствора строго равна сумме масс растворителя и растворенных веществ.
3) При растворении некоторых бесцветных веществ образуются окрашенные растворы. (пример: CuSO4 – бесцветный, дает синий раствор ).
Объяснение: при растворении некоторых бесцветных солей образуются окрашенные кристаллогидраты.
Вывод: Растворение – это сложный физико-химический процесс, при котором происходит взаимодействие (электростатическое, донорно-акцепторное, образование водородной связи) между частицами растворителя и растворенных веществ.
Процесс взаимодействия растворителя с растворенным веществом называется сольватацией. Продукты этого взаимодействия – сольваты. Для водных растворов применяются термины гидратация и гидраты.
Иногда при выпаривании воды кристаллы растворенного вещества оставляют часть молекул воды в своей кристаллической решетке. Такие кристаллы называются кристаллогидратами. Записываются так: CuSO4*5Н2О. То есть, каждая молекула сульфата меди CuSO4 удерживает около себя 5 молекул воды, встраивая их в свою кристаллическую решетку.
Задания для закрепления:
1. Вычислить молярную массу CuSO4*5Н2О.
Решение М (CuSO4*5Н2О)=63,5+32+16*4 +(1*2+16)*5=249,5г/моль.
2. Сколько фаз в следующих системах и в каких агрегатных состояниях они находятся:
а) подсолнечное масло - вода? (2-жидость-жидкость)
б) мел - вода? (2-твердое вещество-жидкость)
в) вода - пары воды? (2-жидкость-газ)
г) хлорид натрия-вода? (1-жидкость)
д) уксусная кислота-вода?(1 – жидкость).
3. Являются ли растворами следующие системы и почему:
а) подсолнечное масло - вода? (нет)
б) мел - вода? (нет)
г) хлорид натрия-вода (да)
д) уксусная кислота-вода?(да).
4. При растворении 1 моля вещества в воде на разрыв связей в молекулах потребовалось 500кДж, а при взаимодействии образовавшихся ионов с молекулами воду выделилось 400кДж. Каков суммарный тепловой эффект растворения?
Решение:
Q=+400+ (-500)=-100кДж – эндотермический эффект растворения.
Вопросы и задания для контроля:
1. Дайте определение понятию «раствор».
2. Дайте определение понятию «гомогенная система».
3. Дайте определение понятию «фаза».
4. Из каких компонентов состоит раствор?
5. Дайте определения понятиям «суспензия» и «эмульсия»? Являются ли суспензии и эмульсии растворами? Приведите примеры суспензии и эмульсии.
6. Какой процесс называется экзотермическим? эндотермическим?
7. Дайте определения понятиям «сольватация» и «сольваты».
8. Что собой представляют гидратация и гидраты?
Домашнее задание:
Вычислить молярную массу кристаллогидрата: ZnSO4*4Н2О
М (ZnSO4*4Н2О) = 65,4 +32+16*4 + 4(1*2+16)=233,4