LAHENDUSED

Üldine informatsioon

Lahendused - komponendid.

"lahusti" Ja "lahustunud" polaarne mittepolaarne

hüdrofiilsed(vee meelitamine) ja hüdrofoobne difiilne

Lahendusteooriad

Lahenduste füüsikaline teooria.

ideaalne

Lahuste keemiline teooria.

Lahuste keemilise ehk solvaadi teooria pakkus 1887. aastal välja D.I. Mendelejev, kes tegi selle kindlaks aastal päris Lahendus sisaldab mitte ainult üksikuid komponente, vaid ka nende koostoime tooteid. Väävelhappe ja etüülalkoholi vesilahuste uuringud, mille viis läbi D.I. Mendelejev pani aluse teooriale, mille põhiolemus seisneb selles, et lahustunud aine osakeste ja lahusti molekulide vahel tekivad vastasmõjud, mille tulemusena tekivad ebastabiilsed muutuva koostisega ühendid, nn. solvaadid või hüdraadid kui lahustiks on vesi. Solvaatide moodustumisel mängivad põhirolli haprad molekulidevahelised jõud, eelkõige vesinikside.

Sellega seoses tuleks nõustuda mõiste „lahendus” järgmise tõlgendusega:

Lahus on muutuva koostisega homogeenne süsteem, mis koosneb kahest või enamast komponendist ja nende vastasmõju produktist.

Sellest määratlusest järeldub, et lahused on keemiliste ühendite ja segude vahel vahepealsel positsioonil. Ühest küljest on lahused homogeensed, mis võimaldab neid käsitleda keemiliste ühenditena. Teisest küljest ei ole lahustes komponentide vahel ranget stöhhiomeetrilist suhet. Lisaks saab lahused jagada komponentideks (näiteks NaCl lahuse aurustamisel saab soola eraldada individuaalsel kujul).

Erinevate meetodite vaheline seos

Happed ja alused

Hoolimata asjaolust, et keemiliste protsesside kirjeldamiseks kasutatakse laialdaselt mõisteid "hape" ja "alus", ei ole ainete klassifitseerimisel ühtset lähenemisviisi nende hapeteks või alusteks klassifitseerimisel. Praegu olemasolevad teooriad ( iooniline teooria S. Arrhenius, protolüütiline teooria I. Brønsted ja T. Lowry Ja elektrooniline teooria G. Lewis) on teatud piirangud ja seetõttu kohaldatakse neid ainult erijuhtudel. Vaatame kõiki neid teooriaid lähemalt.

Arrheniuse teooria.

Arrheniuse iooniteoorias on mõisted "hape" ja "alus" tihedalt seotud elektrolüütilise dissotsiatsiooni protsessiga:

Hape on elektrolüüt, mis dissotsieerub lahustes, moodustades H + ioone;

Alus on elektrolüüt, mis dissotsieerub lahustes, moodustades OH - ioone;

Amfolüüt (amfoteerne elektrolüüt) on elektrolüüt, mis lahuses dissotsieerub, moodustades nii H + kui ka OH - ioone.

Näiteks:

HA ⇄ H + + A - nH + +MeO n n - ⇄Me(OH) n ⇄Me n + +nOH -

Iooniteooria järgi võivad happed olla kas neutraalsed molekulid või ioonid, näiteks:

HF ⇄ H + + F -

H 2 PO 4 - ⇄ H + + HPO 4 2 -

NH4 + ⇄H + +NH3

Põhjenduseks võib tuua sarnaseid näiteid:

KOH K + + OH -

- ⇄Al(OH)3 + OH -

+ ⇄Fe 2+ + OH -

Amfolüütide hulka kuuluvad tsingi, alumiiniumi, kroomi ja mõnede teiste hüdroksiidid, samuti aminohapped, valgud ja nukleiinhapped.

Üldiselt taandub happe-aluse interaktsioon lahuses neutraliseerimisreaktsioonile:

H + + OH - H2O

Siiski näitavad mitmed eksperimentaalsed andmed iooniteooria piiranguid. Niisiis, ammoniaak, orgaanilised amiinid, metallioksiidid nagu Na 2 O, CaO, nõrkade hapete anioonid jne. vee puudumisel on neil tüüpiliste aluste omadused, kuigi need ei sisalda hüdroksiidioone.

Seevastu paljud oksiidid (SO 2, SO 3, P 2 O 5 jne), halogeniidid, happehalogeniidid, sisaldamata vesinikioone, avaldavad happelisi omadusi ka vee puudumisel, s.t. neutraliseerida alused.

Lisaks võib elektrolüüdi käitumine vesilahuses ja mittevesikeskkonnas olla vastupidine.

Niisiis, CH 3 COOH vees on nõrk hape:

CH 3 COOH⇄ CH 3 COO - +H + ,

ja vedelas vesinikfluoriidis on sellel aluse omadused:

HF + CH 3 COOH ⇄ CH 3 COOH 2 + + F -

Seda tüüpi reaktsioonide ja eriti mittevesilahustes toimuvate reaktsioonide uuringud on viinud üldisemate hapete ja aluste teooriate väljatöötamiseni.

Bronstedi ja Lowry teooria.

Hapete ja aluste teooria edasiarenduseks oli I. Brønstedi ja T. Lowry välja pakutud protolüütiline (prootoniteooria). Selle teooria järgi:

Hape on igasugune aine, mille molekulid (või ioonid) on võimelised loovutama prootonit, s.t. olla prootoni doonor;

Alus on igasugune aine, mille molekulid (või ioonid) on võimelised siduma prootonit, s.t. olla prootonite vastuvõtja;

Seega laieneb sihtasutuse mõiste märkimisväärselt, mida kinnitavad järgmised reaktsioonid:

OH - + H + H2O

NH3 +H + NH4+

H2N-NH3+ +H + H3N + -NH3+

I. Brønstedi ja T. Lowry teooria kohaselt moodustavad hape ja alus konjugaatpaari ning on omavahel seotud tasakaalu kaudu:

HAPPE ⇄ PROTON + ALUS

Kuna prootoni ülekandereaktsioon (protolüütiline reaktsioon) on pöörduv ja prootoni ülekanne toimub ka pöördprotsessis, on reaktsiooniproduktideks üksteise suhtes happed ja alused. Seda saab kirjutada tasakaaluprotsessina:

NA + B ⇄ VN + + A - ,

kus HA on hape, B on alus, BH + on happe konjugaat alusega B, A - on aluse konjugaat happega HA.

Näited.

1) reaktsioonis:

HCl+OH - ⇄Cl - +H2O,

HCl ja H 2 O on happed, Cl - ja OH - on nendega konjugeeritud vastavad alused;

2) reaktsioonis:

HSO 4 - +H2O⇄SO42 - +H3O+,

HS04- ja H3O+ on happed, SO42- ja H2O on alused;

3) reaktsioonis:

NH4 + +NH2 - ⇄ 2NH3,

NH 4 + on hape, NH 2 - on alus ja NH 3 toimib nii happe (üks molekul) kui ka alusena (teine ​​molekul), st. näitab amfoteersuse märke – võimet avaldada happe ja aluse omadusi.

Veel on see omadus:

2H 2 O ⇄ H 3 O + + OH -

Siin seob üks molekul H 2 O prootoni (aluse), moodustades konjugeeritud happe - hüdroniumiooni H 3 O +, teine ​​loovutab prootoni (happe), moodustades konjugeeritud aluse OH -. Seda protsessi nimetatakse autoprotolüüs.

Ülaltoodud näidetest on selge, et erinevalt Arrheniuse ideedest ei too Brønstedi ja Lowry teoorias hapete reaktsioonid alustega kaasa vastastikust neutraliseerumist, vaid nendega kaasneb uute hapete ja aluste teke.

Samuti tuleb märkida, et protolüütiline teooria käsitleb mõisteid "hape" ja "alus" mitte kui omadust, vaid kui funktsiooni, mida kõnealune ühend täidab protolüütilise reaktsiooni käigus. Sama ühend võib teatud tingimustel reageerida happena ja teistel alusena. Seega on CH 3 COOH vesilahuses happe omadused ja 100% H 2 SO 4 puhul aluse omadused.

Vaatamata oma eelistele ei ole protolüütiline teooria, nagu ka Arrheniuse teooria, rakendatav ainetele, mis ei sisalda vesinikuaatomeid, kuid millel on samal ajal happe funktsioon: boor, alumiinium, räni, tinahalogeniidid.

Lewise teooria.

Teine lähenemine ainete klassifitseerimisele hapeteks ja alusteks klassifitseerimise seisukohalt oli Lewise elektroniteooria. Elektroonilise teooria raames:

hape on osake (molekul või ioon), mis on võimeline siduma elektronipaari (elektroni aktseptor);

Alus on osake (molekul või ioon), mis on võimeline loovutama elektronipaari (elektronide doonor).

Lewise ideede kohaselt interakteeruvad hape ja alus omavahel doonor-aktseptor sideme. Paari elektronide lisamise tulemusena on elektrondefitsiidiga aatomil täielik elektrooniline konfiguratsioon - elektronide oktett. Näiteks:

Neutraalsete molekulide vahelist reaktsiooni võib ette kujutada sarnaselt:

Lewise teooria kohaselt peetakse neutraliseerimisreaktsiooniks hüdroksiidiooni elektronpaari lisamist vesinikuioonile, mis annab vaba orbitaali selle paari mahutamiseks:

Seega täidab prooton ise, mis Lewise teooria seisukohalt kergesti elektronpaari seob, happe funktsiooni. Sellega seoses võib Bronstedi happeid pidada Lewise hapete ja aluste vahelise reaktsiooniproduktina. Seega on HCl happe H + neutraliseerimise saadus alusega Cl - ja H 3 O + ioon tekib happe H + neutraliseerimise tulemusena alusega H 2 O.

Lewise hapete ja aluste vahelisi reaktsioone illustreerivad ka järgmised näited:

Lewise aluste hulka kuuluvad ka haliidioonid, ammoniaak, alifaatsed ja aromaatsed amiinid, hapnikku sisaldavad orgaanilised ühendid nagu R2CO (kus R on orgaaniline radikaal).

Lewise hapete hulka kuuluvad boori, alumiiniumi, räni, tina ja muude elementide halogeniidid.

Ilmselt hõlmab "happe" mõiste Lewise teoorias laiemat hulka keemilisi ühendeid. Seda seletatakse asjaoluga, et Lewise sõnul määrab aine klassifitseerimise happeks ainult selle molekuli struktuur, mis määrab elektroni vastuvõtja omadused, ja see ei pruugi olla seotud vesinikuaatomite olemasoluga. Lewise happeid, mis ei sisalda vesinikuaatomeid, nimetatakse aprootiline.

LAHENDUSED

Üldine informatsioon

Lahendused - need on muutuva koostisega homogeensed süsteemid, mis koosnevad kahest või enamast ainest nn komponendid. Vastavalt agregatsiooniseisundile võivad lahused olla gaasilised (õhk), vedelad (veri, lümf) ja tahked (sulamid). Meditsiinis on kõige olulisemad vedelad lahused, millel on elusorganismide elus erakordne roll. Lahuste teke on seotud toidu seedimise ja jääkainete organismist väljutamise protsessidega. Suur hulk ravimeid manustatakse lahuste kujul.

Vedelate lahuste kvalitatiivseks ja kvantitatiivseks kirjeldamiseks kasutatakse termineid "lahusti" Ja "lahustunud", kuigi mõnel juhul on selline jaotus üsna tinglik. Seega tuleks meditsiinilist piiritust (96% etanooli lahus vees) käsitleda pigem kui vee lahust alkoholis. Kõik lahustid jagunevad anorgaanilisteks ja orgaanilisteks. Kõige olulisem anorgaaniline lahusti (ja bioloogiliste süsteemide puhul ainuke) on vesi. Selle põhjuseks on sellised vee omadused nagu polaarsus, madal viskoossus, molekulide kalduvus assotsieeruda ning suhteliselt kõrged keemis- ja sulamistemperatuurid. Orgaanilise iseloomuga lahustid jagunevad polaarne(alkoholid, aldehüüdid, ketoonid, happed) ja mittepolaarne(heksaan, benseen, süsiniktetrakloriid).

Lahustumisprotsess sõltub võrdselt nii lahusti olemusest kui ka lahustunud aine omadustest. On ilmne, et lahuste moodustamise võime väljendub erinevates ainetes erinevalt. Mõnda ainet võib omavahel segada mis tahes koguses (vesi ja etanool), teisi - piiratud koguses (vesi ja fenool). Siiski tuleb meeles pidada: absoluutselt lahustumatuid aineid pole olemas!

Aine kalduvust lahustuda konkreetses lahustis saab määrata lihtsa rusikareegli abil: sarnane lahustub sarnaseks. Tõepoolest, ioonse (soolad, leelised) või polaarse (alkoholid, aldehüüdid) sidemega ained lahustuvad hästi polaarsetes lahustites, näiteks vees. Ja vastupidi, hapniku lahustuvus benseenis on suurusjärgu võrra suurem kui vees, kuna O 2 ja C 6 H 6 molekulid on mittepolaarsed.

Ühendi afiinsuse astet teatud tüüpi lahusti suhtes saab hinnata, analüüsides selle koostises sisalduvate funktsionaalrühmade olemust ja kvantitatiivset suhet, mille hulgas on: hüdrofiilsed(vee meelitamine) ja hüdrofoobne(tõrjuv vesi). Hüdrofiilsed rühmad hõlmavad polaarseid rühmi, nagu hüdroksüül (-OH), karboksüül (-COOH), tiool (-SH), amino (-NH2). Mittepolaarsed rühmad loetakse hüdrofoobseteks: alifaatsete (-CH 3, -C 2 H 5) ja aromaatsete (-C 6 H 5) seeria süsivesinikradikaalid. Nimetatakse ühendeid, mis sisaldavad nii hüdrofiilseid kui hüdrofoobseid rühmi difiilne. Selliste ühendite hulka kuuluvad aminohapped, valgud ja nukleiinhapped.

Lahendusteooriad

Praegu on teada kaks peamist lahendusteooriat: füüsikaline ja keemiline.

Lahenduste füüsikaline teooria.

Lahenduste füüsikalise teooria pakkusid välja S. Arrhenius (1883) ja J. G. Van't Hoff (1885). Selles teoorias käsitletakse lahustit kui keemiliselt inertset keskkonda, milles lahustunud aine osakesed (molekulid, ioonid) on ühtlaselt jaotunud. See eeldab molekulidevahelise interaktsiooni puudumist nii lahustunud aine osakeste kui ka lahusti molekulide ja lahustunud aine osakeste vahel. Hiljem aga selgus, et selle mudeli tingimusi rahuldas vaid väikese lahendusgrupi käitumine, mida nimetati nn. ideaalne. Eelkõige võib ideaalseteks lahendusteks pidada gaasisegusid ja mitteelektrolüütide väga lahjendatud lahuseid.

Eespool on näidatud, et puhta vee reaktsioon on neutraalne (pH = 7). Hapete ja aluste vesilahused on vastavalt happelised (pH< 7) и щелочную (рН >7) reaktsioon. Praktika aga näitab, et mitte ainult happed ja alused, vaid ka soolad võivad olla aluselise või happelise reaktsiooniga – selle põhjuseks on soolade hüdrolüüs. Soolade koostoimet veega, mille tulemusena moodustuvad hape (või happeline sool) ja alus (või aluseline sool), nimetatakse soola hüdrolüüsiks. Vaatleme järgmiste põhitüüpide soolade hüdrolüüsi: 1. Tugeva aluse ja tugeva happe soolad (näiteks KBr, NaNO3) ei hüdrolüüsu vees lahustumisel ja soolalahus on neutraalse reaktsiooniga….

On hästi teada, et mõned lahustunud või sulas olekus olevad ained juhivad elektrivoolu, teised aga ei juhi samadel tingimustel voolu. Seda saab jälgida lihtsa seadme abil. See koosneb süsinikvarrastest (elektroodidest), mis on ühendatud juhtmetega elektrivõrku. Ahelas on elektrivalgusti, mis näitab voolu olemasolu või puudumist vooluringis. Kui kastate elektroodid suhkrulahusesse, siis lambipirn ei sütti. Kuid see süttib eredalt, kui need kastetakse naatriumkloriidi lahusesse. Aineid, mis lagunevad lahustes või sulavad ioonideks ja juhivad seetõttu elektrivoolu, nimetatakse elektrolüütideks. Aineid, mis samadel tingimustel ei lagune ioonideks ega juhi elektrivoolu, nimetatakse mitteelektrolüütideks. Elektrolüütide hulka kuuluvad happed, alused ja peaaegu kõik soolad, mitteelektrolüütide hulka kuuluvad enamik orgaanilisi ühendeid,...

Elektrolüütide vesilahuste omaduste selgitamiseks pakkus Rootsi teadlane S. Arrhenius 1887. aastal välja elektrolüütilise dissotsiatsiooni teooria. Hiljem töötasid paljud teadlased selle välja aatomite ja keemiliste sidemete struktuuri õpetuse põhjal. Selle teooria tänapäevase sisu võib taandada järgmisele kolmele sättele: 1. Elektrolüüdid lahustuvad vees (dissotsieeruvad) ioonideks – positiivseteks ja negatiivseteks. Ioonid on stabiilsemas elektroonilises olekus kui aatomid. Need võivad koosneda ühest aatomist – need on lihtioonid (Na+, Mg2+, Al3+ jne) – või mitmest aatomist – need on kompleksioonid (NO3-, SO2-4, POZ-4 jne). 2. Elektrivoolu mõjul omandavad ioonid suunalise liikumise: positiivselt laetud ioonid liiguvad katoodi, negatiivselt laetud ioonid anoodi poole. Seetõttu nimetatakse esimesi katioonideks, teisi - anioonideks. Ioonide suunaline liikumine toimub nende külgetõmbe tulemusena vastupidiselt laetud elektroodide poolt. 3. Dissotsiatsioon on pöörduv protsess: paralleelselt molekulide lagunemisega ioonideks (dissotsieerumine) toimub ioonide ühendamise protsess (assotsiatsioon). Seetõttu kasutatakse elektrolüütilise dissotsiatsiooni võrrandites võrdusmärgi asemel pöörduvusmärki. Näiteks,…

Oluline küsimus on elektrolüütilise dissotsiatsiooni mehhanism. Ioonsete sidemetega ained dissotsieeruvad kõige kergemini. Nagu teate, koosnevad need ained ioonidest. Kui need lahustuvad, on veedipoolid orienteeritud positiivsete ja negatiivsete ioonide ümber. Vee ioonide ja dipoolide vahel tekivad vastastikused tõmbejõud. Selle tulemusena nõrgeneb side ioonide vahel ja ioonid liiguvad kristallist lahusesse. Kell…

Elektrolüütilise dissotsiatsiooni teooriat kasutades määratlevad ja kirjeldavad nad hapete, aluste ja soolade omadusi. Happed on elektrolüüdid, mille dissotsiatsioonil tekivad ainult vesinikkatioonid katioonidena H3PO4 H+ + H2PO-4 (esimene aste) H2PO-4 H+ + HPO2-4 (teine ​​etapp) HPO2-4 H+ POZ-4 (kolmas aste) Mitmealuselise happe dissotsiatsioon toimub peamiselt läbi esimese sammu, vähemal määral läbi teise ja vaid vähesel määral läbi kolmanda. Seetõttu on näiteks fosforhappe vesilahuses koos H3PO4 molekulidega ioone (järgi kahanevas koguses) H2PO2-4, HPO2-4 ja PO3-4. Alused on elektrolüüdid, mille dissotsiatsioonil tekivad anioonidena ainult hüdroksiidioonid. Näiteks: KOH K+ + OH—;…

Kuna elektrolüütiline dissotsiatsioon on pöörduv protsess, on elektrolüütide lahustes koos nende ioonidega ka molekulid. Seetõttu iseloomustab elektrolüütide lahuseid dissotsiatsiooniaste (tähistatakse kreeka tähega alfa α). Dissotsiatsiooniaste on ioonideks lagunenud molekulide arvu N' suhe lahustunud molekulide koguarvusse N: elektrolüüdi dissotsiatsiooniaste määratakse eksperimentaalselt ja seda väljendatakse ühiku murdosades või protsentides. . Kui α = 0, siis dissotsiatsiooni ei toimu ja kui α = 1 või 100%, siis elektrolüüt laguneb täielikult ioonideks. Kui α = 20%, tähendab see, et antud elektrolüüdi 100 molekulist on 20 lagunenud ioonideks. Erinevatel elektrolüütidel on erinev dissotsiatsiooniaste. Kogemused näitavad, et see sõltub elektrolüüdi kontsentratsioonist ja temperatuurist. Elektrolüütide kontsentratsiooni langusega...

Elektrolüütilise dissotsiatsiooni teooria kohaselt on kõik elektrolüütide vesilahustes toimuvad reaktsioonid ioonidevahelised reaktsioonid. Neid nimetatakse ioonreaktsioonideks ja nende reaktsioonide võrrandeid nimetatakse ioonvõrranditeks. Need on lihtsamad kui molekulaarsel kujul kirjutatud reaktsioonivõrrandid ja oma olemuselt üldisemad. Ioonreaktsiooni võrrandite koostamisel tuleks juhinduda sellest, et kergelt dissotsieerunud, vähelahustuvad (sadestunud) ja gaasilised ained kirjutatakse molekulaarselt. Märk ↓ aine valemis tähendab, et aine väljub reaktsioonisfäärist sademe kujul, märk tähendab, et aine väljub reaktsioonisfäärist gaasi kujul. Tugevad elektrolüüdid, kui need on täielikult dissotsieerunud, kirjutatakse ioonidena. Võrrandi vasakul poolel olevate elektrilaengute summa peab olema võrdne paremal pool olevate elektrilaengute summaga. Nende sätete tugevdamiseks vaadake kahte näidet. Näide 1. Kirjutage reaktsioonivõrrandid raud(III)kloriidi ja naatriumhüdroksiidi molekulaarses ja ioonilises vormis lahuste vahel. Jagame ülesande lahendamise neljaks etapiks. 1….

KH2O = 1,10-4 Seda vee konstanti nimetatakse vee ioonseks produktiks, mis sõltub ainult temperatuurist. Vee dissotsiatsioonil tekib iga H+ iooni kohta üks OH– ioon, seetõttu on puhtas vees nende ioonide kontsentratsioonid ühesugused: [H+] = [OH–]. Kasutades vee ioonsaaduse väärtust, leiame: = [OH—] = mol/l. Need on H+ ja OH- ioonide kontsentratsioonid...

1.2 LAHENDUSTETEORIA ARENDAMISE PEAMISED SUUNAD

Lahenduste füüsikaline teooria. Lahenduste olemuse vaadete kujunemist on iidsetest aegadest peale seostatud nii teaduse ja tootmise üldise arengukäiguga kui ka filosoofiliste ideedega erinevate ainete keemilise afiinsuse põhjuste kohta. 17. ja 18. sajandi esimesel poolel. Lahenduste korpuskulaarne teooria levis loodusteaduste ja filosoofia valdkonnas. Selles teoorias käsitleti lahustumisprotsessi kui mehaanilist protsessi, mille käigus lahusti kehakesed sisenevad kehade pooridesse ja rebivad lahti lahustunud aine osakesed, mis hõivavad lahusti poorid, moodustades ühtse lahuse. Sellised ideed selgitasid esialgu rahuldavalt tõsiasja, et antud lahusti ei suuda lahustada mitte kõiki aineid, vaid ainult mõnda.

19. sajandi alguses. luuakse eeldused lahenduste füüsikalise teooria arendamiseks, mis oli mitmete uuringute üldistus. Peamiselt J. Van't Hoffi, S. Arrheniuse ja W. Ostwaldi tööde põhjal tekkinud lahuste füüsikateooria põhines lahjendatud lahuste omaduste (osmootne rõhk, kõrgendatud keemistemperatuur) eksperimentaalsel uurimisel. , lahuse külmumistemperatuuri langus, aururõhk lahuse kohal) olenevalt peamiselt lahustunud aine kontsentratsioonist, mitte selle olemusest. Osmoos on lahusti spontaanne tungimine lahusesse, mis on eraldatud sellest poolläbilaskva vaheseinaga, millest lahusti võib siseneda, kuid lahustunud aine ei saa läbi.

Poolläbilaskva vaheseinaga eraldatud lahust ja lahustit võib pidada kaheks faasiks. Lahusti tasakaalu mõlemal pool vaheseina väljendab selle keemilise potentsiaali võrdsus lahuses (millele rakendatakse täiendavat survet) ja puhta lahusti keemilise potentsiaali võrdsus.

Kvantitatiivseid seadusi (van't Hoff, Raoult) tõlgendati nii, et lahjendatud lahustes on lahustunud aine molekulid sarnased ideaalse gaasi molekulidega. Elektrolüütide lahuste puhul täheldatud kõrvalekaldeid nendest seadustest selgitas S. Arrheniuse elektrolüütilise dissotsiatsiooni teooria põhjal.

Väga lahjendatud lahuste ja gaaside analoogia tundus paljudele teadlastele nii veenev, et nad hakkasid lahustumisprotsessi pidama füüsiliseks toiminguks. Nende teadlaste seisukohast on lahusti vaid keskkond, millesse lahustunud aineosakesed võivad difundeeruda. Lahenduste füüsikalise teooria mõistete lihtsus ja selle edukas rakendamine lahenduste paljude omaduste selgitamisel tagas selle teooria kiire edu.

Lahuste keemiline teooria. DI. Mendelejev ja tema järgijad pidasid lahuse moodustamise protsessi teatud tüüpi keemiliseks protsessiks, mida iseloomustab komponentide osakeste vaheline interaktsioon. DI. Mendelejev käsitles lahuseid kui süsteeme, mis on moodustatud lahusti osakestest, lahustunud ainest ja nende vahel moodustuvatest ebastabiilsetest keemilistest ühenditest, mis on osalise dissotsiatsiooni seisundis. DI. Mendelejev märkis, et lahuses toimuvad protsessid on oma olemuselt dünaamilised ning vajadust kasutada kogu füüsikalis-keemilist informatsiooni lahust moodustavate osakeste omaduste kohta, rõhutas, et kõik lahuse komponendid on võrdsed ja arvestamata. Nende igaühe omadusi ja olekuid on võimatu anda täielikku kirjeldust süsteemi tervikuna. Teadlane pidas suurt tähtsust lahuste omaduste uurimisel temperatuuri, rõhu, kontsentratsiooni funktsioonina; Ta oli esimene, kes väljendas ideed vajadusest uurida lahuste omadusi segatud lahustites. D.I õpetuste arendamine. Lahuste olemuse keemilise käsitluse pooldajad Mendelejev tõid välja, et lahustunud aine osakesed ei liigu mitte tühjuses, vaid ruumis, mille hõivavad lahustiosakesed, millega nad interakteeruvad, moodustades erineva stabiilsusega kompleksseid ühendeid. D.I. Mendelejevi teooria edasiarendus on lahuste moodustumise polüeedriteooria, mille kohaselt luuakse vedelikus homogeensetest ja erinevatest molekulidest elementaarsed ruumirühmad-polüeedrid. Keemiateooria ei suuda aga seletada ideaallahenduste tekkemehhanismi, reaalsete lahuste omaduste hälbeid ideaallahenduste omadustest.

Lahuste keemilise teooria areng kulges mitmes suunas, mida ühendas üksainus idee lahusti ja lahustunud aine vastastikmõjust. Need uuringud puudutasid teatud ühendite paiknemist lahuses, mis põhinesid omaduste ja koostise diagrammide uurimisel, aururõhu uurimisel lahustes, ainete jaotumist kahe lahusti vahel ja lahuste termokeemia uurimist. Tööd ühendite määramisel lahustes olid seotud suurte raskustega, kuna kompleksühendite (hüdraatide) olemasolu vesilahustes ei olnud võimalik otsese katsega tõestada, kuna need on dissotsiatsiooniseisundis ja neid üritati isoleerida lagunemata kujul lahendused lõppesid ebaõnnestumisega. Termodünaamilised uuringud olid lahuste keemilise teooria kinnitamisel väga olulised. Paljudes süsteemides on näidatud, et lahuse moodustumisel täheldatakse süsteemi jahtumist või kuumenemist, mis oli seletatav komponentidevahelise keemilise vastasmõjuga. Lahustumisprotsessi keemilist olemust kinnitasid lahuse kohal oleva aururõhu uuringud ja ainete jaotumise uuringud kahe lahusti vahel.

20. sajandi alguseks. Kogunenud on ulatuslik katsematerjal, mis näitab, et lahendused on keerulised süsteemid, milles vaadeldakse assotsieerumise, dissotsiatsiooni ja kompleksi moodustumise fenomeni ning nende uurimisel tuleb arvestada igat tüüpi interaktsioonidega lahuses esinevate ja moodustuvate osakeste vahel. .

Lahenduste mitmekesisuse tõttu kasutatakse lahenduste olemuse ja omaduste selgitamiseks nii füüsikaliste kui ka keemiliste teooriate mõisteid.

Adsorptsioon keemias

Kaasaegse loodusteaduse kontseptsioonid (keemiline komponent)

Keemia põhiseadused ja stöhhiomeetrilised arvutused

Paljude reaktsioonide kvantitatiivne (massi või mahu järgi) uurimine ja katsetulemuste selgitamine viib stöhhiomeetriliste seadusteni. Peamine füüsikaline suurus keemias on aine hulk. Alates 1. jaanuarist 1963...

Polümeerilahustest kilede saamise füüsikalis-keemilised põhiprintsiibid

Polümeerid lahustes, eriti kontsentreeritud, moodustavad struktuure, mille kuju ja suurus sõltuvad nii polümeeri interaktsiooni iseloomust lahustiga kui ka lahuse asukoha tingimustest (temperatuur...

Otsige optimaalset pigmendisisaldust kattekihtides, mis põhinevad alküüdlakil PF-060

Lakkide, värvide ja värvkatete keemiatehnoloogia osakonnas läbiviidud uuringud, mille eesmärk on otsida uusi tõhusaid vähetoksilisi korrosioonivastaseid pigmente...

Biogaasi tootmine

Biogaasi küllaltki kõrge metaanisisaldus ja seetõttu ka kõrge kütteväärtus annavad laialdased võimalused biogaasi kasutamiseks...

Dimetüüleetri valmistamine metanooli dehüdratsioonil AlPO4 + SiO2 katalüsaatoritel

Keemiatööstuses kasutatakse vesinikku peamiselt metanooli ja ammoniaagi sünteesiks. Ülejäänud osa vesinikust selles tööstuses kasutatakse teistes keemiatööstuses: näiteks...

Dimetüüleetri valmistamine metanooli dehüdratsioonil AlPO4 + SiO2 katalüsaatoritel

Kõige suuremahulisemad süsinikmonooksiidi kasutavad protsessid on olefiinide hüdroformeerimine, metanooli karbonüülimine äädikhappe saamiseks, küllastumata ja hargnenud karboksüülhapete süntees...

Dimetüüleetri valmistamine metanooli dehüdratsioonil AlPO4 + SiO2 katalüsaatoritel

Dimetüüleetrit kasutatakse praegu peamiselt aerosoolpurkide keskkonnasõbraliku täiteainena...

Menedelejevi roll maailmateaduse arengus

DI. Mendelejev kirjutas, et tema nime moodustasid neli teemat: kolm teaduslikku avastust (perioodiseadus, lahuste keemiline teooria ja gaaside elastsuse uurimine), samuti "Keemia alused" - õpiku monograafia, mis on ehk võrdne...

Polümeerilahuste moodustumise teooriad ja termodünaamika

Teooriate käsitlemisel ei panda rõhku matemaatilistele arvutustele, vaid keskendun ainult põhipunktidele: põhieeldustele ja parameetritele, võtmevõrrandite tüübile, teooriate eelistele ja puudustele. Kogu massiivist...

Kromatograafilise protsessi füüsikalis-keemilised alused

Kromatograafia teooria ülesanne on kehtestada kromatograafiliste tsoonide liikumise ja hägustumise seadused. Kromatograafiateooriate klassifitseerimise peamised tegurid...

Adsorptsiooniprotsessi omadused

Puudub ühtne teooria, mis kirjeldaks üsna õigesti kõiki adsorptsiooni tüüpe erinevatel faasiliidestel; Seetõttu vaatleme mõningaid levinumaid adsorptsiooniteooriaid...

Kroomi alarühma elementide kompleksühendite keemia

Nii nagu keemia arengut lükkas edasi flogistoni teooria ja orgaanilise keemia arengut ideed "elujõust"...

Teema 7. Lahendused. Hajutatud süsteemid

Loengud 15-17 (6 tundi)

Loengute eesmärk: uurida solvaadi (hüdraadi) lahustumise teooria aluspõhimõtteid; lahenduste üldomadused (Raoulti seadused, Van't Hoffi seadused, osmootne rõhk, Arrheniuse võrrand); vedelate lahuste liigid, määrake lahustuvus; arvestama nõrkade elektrolüütide omadusi (lahustuvuskonstant, Ostwaldi lahjendusseadus, vee ioonprodukt, keskkonna pH, lahustuvuse korrutis); tugevate elektrolüütide omadused (Debye-Hückeli teooria, lahuse ioontugevus); anda hajussüsteemide klassifikatsioon; arvestada kolloidsete lahuste stabiilsust, koagulatsiooni, peptiseerimist, kolloidsete hajussüsteemide tootmist ja kolloidsete hajutatud süsteemide omadusi (molekulaarkineetika, optiline ja elektrokineetiline).

Uuritud küsimused:

7.1. Solvaadi (hüdraadi) lahustumisteooria.

7.2. Lahuste üldised omadused.

7.3. Vedelate lahuste tüübid. Lahustuvus.

7.4. Nõrkade elektrolüütide omadused.

7.5. Tugevate elektrolüütide omadused.

7.6. Hajusüsteemide klassifikatsioon.

7.7. Kolloidsete disperssete süsteemide valmistamine.

7.8. Kolloidsete lahuste stabiilsus. Koagulatsioon. Peptiseerimine.

7.9. Kolloidsete hajussüsteemide omadused.

Lahendused nimetatakse homogeenseteks süsteemideks, mis koosnevad kahest või enamast ainest, mille koostis võib varieeruda lahustuvusega lubatud küllaltki laiades piirides. Iga lahus koosneb mitmest komponendist: lahustist ( A) ja ühe või mitme ( IN).

Komponent- see on keemiliste omaduste poolest homogeense termodünaamilise süsteemi osa, mida saab sellest eraldada ja eksisteerida vabal kujul määramata kaua.

Lahusti on komponent, mille kontsentratsioon on suurem kui teiste komponentide kontsentratsioon lahuses. Lahuste moodustamise ajal säilitab see oma faasioleku.

Iga lahust iseloomustavad sellised omadused nagu tihedus, keemistemperatuur, külmumistemperatuur, viskoossus, pindpinevus, lahusti rõhk lahuse kohal, osmootne rõhk jne Need omadused muutuvad sujuvalt rõhu, temperatuuri, koostise (kontsentratsiooni) muutumisel. Lahuse kontsentratsioon näitab aine kogust, mis sisaldub teatud massis lahuse või lahusti või teatud lahuse mahus. Keemias kasutatakse lahuste kontsentratsiooni väljendamiseks erinevaid meetodeid:

Lahustunud aine massiosa (kontsentratsiooni protsent (w)) näitab lahustunud aine grammide arvu ( m sisse) 100 g lahuses ( härra), väljendatud protsentides:

Molaarne kontsentratsioon (C) näitab lahustunud aine (n) moolide arvu 1 dm³ lahuses (V):

Väljendatuna mol/dm³, näiteks C(1/1H2SO4) = 0,1 mol/dm³.

Molaarkontsentratsiooni ekvivalent on lahustunud aine moolekvivalentide arv 1 dm³ lahuses (V):

Väljendatuna mol/dm³. Näiteks C(1/2H2S04) = 0,1 mol/dm3; C(1/5 KMnO4) = 0,02 mol/dm3.

Mõisted ekvivalent, ekvivalentsustegur (näiteks f eq (HCl) = 1/1; f eq (H 2 SO 4) = 1/2; f eq (Na 2 CO 3) = 1/2; f eq (KMnO 4) ) = 1/5) ja molaarmassi ekvivalent (näiteks naatriumkarbonaadi puhul: M(1/2 Na 2 CO 3) = f ekvivalent M(Na 2 CO 3) = 1/2 M(Na 2 CO 3)) sissejuhatuses (lõige 2).

Molaalsus (C m) näitab lahustunud aine moolide arvu (n) 1000 g lahustis (m lahus):

Väljendatuna mol/kg lahusti kohta, näiteks C m (NaCl) = 0,05 mol/kg.

Moolifraktsioon on aine moolide arvu ja lahuses olevate moolide arvu suhe:

kus N A ja NB on vastavalt lahusti ja lahustunud aine molaarosa. Moolfraktsioon korrutatuna 100%-ga moodustab moolprotsendi, seega

N A + N B = 1. (7.6)

Praktilises töös on oluline osata kiiresti liikuda ühelt keskendumisühikult teisele, mistõttu on oluline meeles pidada, et

m lahendus = V lahendus ρ, (7.7)

kus m lahus on lahuse mass, g; V lahus – lahuse maht, cm 3; ρ – lahuse tihedus, g/cm3.

Lahustumisprotsess on keeruline füüsikalis-keemiline protsess, milles avaldub kõige selgemini erineva keemilise olemusega osakeste (molekulide või ioonide) vastastikmõju.

Paljude ainete lahustumisprotsesse erinevates agregatsiooniseisundites mõjutab oluliselt lahusti ja lahustunud aine molekulide polaarsus. Tuleb märkida, et sarnane lahustub sarnaseks. Polaarsed molekulid (KCl, NH 4 Cl jne) lahustuvad polaarsetes lahustites (vesi, glütseriin); mittepolaarsed molekulid (süsivesinikud, rasvad jne) lahustuvad mittepolaarsetes lahustites (tolueen, bensiin jne).

Kaasaegne lahustumisteooria tuginedes Van't Hoffi ja S. Arrheniuse füüsikalisele teooriale ning D. I. Mendelejevi keemilisele teooriale. Selle teooria kohaselt koosneb lahustumisprotsess kolmest etapist:

1) lahustunud aine osakeste vaheliste sidemete mehaaniline hävitamine, näiteks soola kristallvõre hävitamine (see on füüsikaline nähtus);

2) haridus solvaadid (hüdraadid), st lahustunud aineosakeste ebastabiilsed ühendid lahusti molekulidega (see on keemiline nähtus);

3) solvateeritud (hüdraatunud) ioonide spontaanne difusiooniprotsess kogu lahusti mahus (see on füüsikaline protsess). Lahuses on iga laetud osake (ioon või polaarne molekul) ümbritsetud lahenduskest , mis koosneb sobivalt orienteeritud lahusti molekulidest. Kui lahustiks on vesi, kasutatakse terminit niisutav kest , ja nähtust ennast nimetatakse hüdratsioon .

Lahuse moodustumise protsessiga kaasneb termiline efekt, mis võib olla kas endotermiline või eksotermiline. Lahustumise esimene etapp toimub alati soojuse neeldumisel ja teine ​​võib toimuda nii soojuse neeldumisel kui ka vabanemisel. Seetõttu sõltub lahustumise summaarne termiline efekt solvaatide (hüdraatide) moodustumise termilisest efektist. Molekulide või lahustunud aine ioonide ühendamine lahusti molekulidega toimub peamiselt vesiniksideme või ainete polaarsete molekulide elektrostaatilise interaktsiooni tõttu. Solvaatide (hüdraatide) koostis varieerub sõltuvalt lahustunud aine temperatuurist ja kontsentratsioonist. Nende suurenedes väheneb solvaadis (hüdraadis) sisalduvate lahusti molekulide arv. Seega asuvad lahused vahepealse positsiooni mehaaniliste segude ja keemiliste ühendite vahel.

Lahendusteooria ei võimalda veel igal juhul ennustada lahenduste omadusi nende komponentide omaduste põhjal. Seda seletatakse lahusti molekulide ja lahustunud osakeste vaheliste interaktsioonide äärmiselt suure mitmekesisuse ja keerukusega. Lahenduste struktuur on reeglina palju keerulisem kui selle üksikute komponentide struktuur.

Agregatsiooni oleku järgi jagunevad kõik lahused kolme rühma: gaaside lahused gaasides või gaasisegudes; vedelad lahused; tahked lahused (metallisulamid). Järgnevalt võetakse arvesse ainult vedelaid lahuseid.

19. sajandi lõpus peeti lahuseid füüsikalisteks üksusteks, milles lahusti ja lahustunud aine vahel puudusid vastasmõjud. Lahuse teket seletati lahustunud aineosakeste dispersiooniga ükskõikses lahustikeskkonnas. Nende vaadete rajajateks olid sellised kuulsad teadlased nagu J. van't Hoff, S. Arrhenius ja W. Ostwald. 1887. aastal lõi suur vene keemik D.I.Mendelejev arvukate katseandmete põhjal lahuste keemilise (hüdraadi)teooria. Selle teooria aluseks oli idee lahustumise keemilisest olemusest. Lahuses moodustuvad lahustunud aine ja lahusti vahel ühendid, mis muudavad nende koostist temperatuuri ja kontsentratsiooni muutustega. D.I. Mendelejev nimetas neid ühendeid hüdraatideks või solvaatideks. Saadud hüdraadid on erineva tugevusega. Enamik neist on ebastabiilsed ja eksisteerivad ainult lahendustes. Osa hüdraate on aga nii tugevad ühendid, et kui lahustunud aine lahusest vabaneb, satub vesi keemiliselt seotud kujul kasvavasse kristalli. Selliseid kristalle nimetati kristallhüdraatideks ja nende koostises olevat vett kristallisatsiooniveeks. Kristalliliste hüdraatide näideteks on CuS04 5H20; Na2S04 YuN20 jne. Saadud ühendite tugevuse määravad lahusti ja lahustunud aine vahel mõjuvad jõud. Nende jõudude olemus on nüüdseks teada. Solvaadid (hüdraadid) tekivad ioon-dipool, dipool-dipool, doonor-aktseptor interaktsioonide, vesiniksidemete, aga ka dispersiooni interaktsiooni tõttu. Mendelejev ei eitanud füüsikalise faktori rolli lahenduste kujunemisel. Ta kirjutas: „Lahustumise kaks näidatud aspekti (füüsikaline ja keemiline) ja seni lahenduste kaalumisel rakendatud hüpoteesid, kuigi neil on osaliselt erinevad lähtekohad, viivad lõpuks üldise lahendusteooriani, sest kehtivad samad üldised seadused. nii füüsikalisi kui ka keemilisi nähtusi." D.I. Mendelejevi seisukohad said täielikult kinnitust. Praegu peetakse lahustumisprotsessi füüsikalis-keemiliseks protsessiks ja lahuseid füüsikalis-keemilisteks süsteemideks. D.I. Mendelejevi lahenduste keemiline teooria võimaldas selgitada ainete lahustumisprotsessides tekkivate termiliste mõjude olemasolu. Lahustumisprotsessi termilist efekti (DNsolv) saab kujutada aine kristallvõre hävitamiseks vajaliku soojuse (DNre1:1) ja solvatatsiooniprotsessi käigus eralduva soojuse (DNsolvaadi) summana, s.o. e. AHp^ on märkimisväärne endotermiline suurus ja DNS0ЛВ on väärtuselt lähedane eksotermiline suurus. Selle põhjal määratakse lahustumisprotsessi termilise efekti lõplik märk iga parameetri panuse suuruse järgi. Lahustumisel on see endotermiline. Seda võib täheldada näiteks siis, kui vees lahustatakse kaalium- ja ammooniumnitraate, kaaliumkloriidi jne. Kui lahustumisprotsess on eksotermiline. Selle näiteks on kaltsium- ja magneesiumkloriidide, naatrium- ja kaaliumhüdroksiidide jt lahustumine vees.. Niisiis, termilise efekti märgi määrab lahustunud aine ja lahusti iseloom, nende omavahelise interaktsiooni sügavus . Komponentide vahelise keemilise interaktsiooni olemasolu selgitab ka mahulist mõju lahustumisel. Seega, kui 1 liiter etüülalkoholi lahustatakse 1 liitris vees, on saadud lahuse maht mitte 2 liitrit, vaid 1,93 liitrit. Sel juhul on mahu vähenemine peamiselt tingitud vesiniksidemete moodustumisest vee ja alkoholi hüdroksüülrühmade vahel.