Растворами называются термодинамически устойчивые гомогенные системы переменного состава, состоящие из двух или более компонентов. Компонентами растворов являются растворитель (компонент 1) и растворенное вещество или вещества в любом количестве (компонент 2). Деление на растворитель и вещество относительно, обычно растворителем называют тот компонент, которого больше. Если раствор изолировать от окружающей среды, он и будет находиться в этом состоянии сколь угодно долгое время, система устойчива. Соотношение растворитель – вещество может изменяться в широких пределах, а раствор остается тем же раствором, речь идет о системе переменного состава.

Находящиеся в растворе частицы растворенного вещества имеют разный размер. В зависимости от размера растворенных частиц растворы делятся на истинные растворы и дисперсные гетерогенные системы. В истинных растворах растворенные вещества в виде отдельных молекул или ионов равномерно распределены по всему объему системы среди таких же частиц растворителя. Размеры обычных молекул и ионов не превышают 1нм (10 -9 м), поэтому истинные растворы – системы гомогенные, т.е. однородные на молекулярном уровне. Межфазная поверхность в них отсутствует.

Дисперсные гетерогенные системы имеют сильно развитую межфазную поверхность, т.к. растворенные частицы гораздо крупнее молекул. Такие системы состоят из сплошной непрерывной фазы растворителя – дисперсионной среды и находящихся в этой среде раздробленных частиц растворенного вещества – дисперсной фазы. В коллоидных растворах растворенные частицы могут иметь размеры в интервале 1-100 нм. Системы, включающие раздробленные частицы с диаметром более 100 нм, относятся к тонко и грубодисперсным гетерогенным системам. Обязательным условием получения дисперсных систем является взаимная нерастворимость дисперсионной среды и дисперсной фазы. Дисперсные гетерогенные системы термодинамически неустойчивы, т.к. в них самопроизвольно происходят процессы, приводящие к укрупнению частиц растворенного вещества. Поэтому с течением времени такие системы разделяются на исходные компоненты (расслаиваются, рассеиваются, высыхают).

В группу истинных растворов попадают многие газовые, жидкие и твердые системы. Примером газового раствора является обычный воздух – смесь газов O 2 , N 2 , CO 2 и др., если бы в нем не было пыли и жидкой воды Жидкие растворы получаются при растворении в жидком растворителе, например воде, газов (CO 2), жидких веществ (C 2 H 5 OH) или твердых веществ (NaCl). Примерами твердых растворов являются раствор газообразного водорода в твердом палладии, амальгамы (раствор жидкой ртути в твердых металлах), сплавы. Наиболее распространены жидкие растворы, в которых растворителям является вода. Далее речь пойдет только о водных растворах.

Например, растворяем в воде чайную ложку сахара. Добавим еще одну ложку, перемешаем и т.д. Начиная с некоторой концентрации, сахар перестал растворяться и его избыток находится на дне стакана. Раствор, находящийся в равновесии с растворяемым веществом, называется насыщенным. До момента достижения такой концентрации раствор был ненасыщенным , гомогенным. Концентрация насыщенного раствора называется растворимостью вещества и обычно выражается в граммах этого вещества в расчете на 100г воды. Растворимость газов всегда понижается при нагревании. Почему?

(X) « {X} H 2 O

Переход слева направо из беспорядочного состояния газа в водный раствор сопровождается снижением энтропии DS<0, поэтому необходимо выделение тепла DН<0, в противном случае DG>0 и процесс будет запрещен. По принципу Ле-Шателье равновесие при повышении температуры смещается влево.

В случае растворения в воде твердого вещества ситуация иная:

[X] « {X} H 2 O , DS>0

и жесткого ограничения на знак теплового эффекта не будет, процесс растворения твердого тела может быть как экзотермическим, так и эндотермическим. Например, при растворении NaCI полярные молекулы воды начинают разрушать кристаллическую решетку поваренной соли, «выдергивая» из нее катионы натрия и анионы хлора с перемещением в водную фазу. Тепловой эффект называют энтальпией решетки, это всегда эндотермическая величина: DН реш >0. Ионы натрия и хлора, оказавшись в воде, вступают с ней во взаимодействие:

Na + + mH 2 O « Na + mH 2 O, CI ─ + nH 2 O « CI ─ nH 2 O.

Речь идет об экзотермической реакции гидратации – реакции взаимодействия с водой. Продукты реакции называются гидратами . Таким образом, от соотношения противоположных по знаку величин энтальпий решетки и гидратации зависит знак теплового эффекта растворения твердого вещества: DН растворения = DН реш + DН гидр.

Реакцию гидратации открыл Д.И.Менделеев, автор химической теории растворов. Он первый обратил внимание, что растворение веществ сопровождается тепловыми изменениями и объемными, а это признаки химических реакций, например, разведение этилового спирта в воде сопровождается большим выделением тепла и уменьшением объема:

50 мл спирта + 50 мл воды = 96 мл раствора (!).

Исследование процесса гидратации этанола явилось обоснованием состава русской водки.

Количество молекул воды при гидратации (m,n) называют числом гидратации. Ион окружен молекулами воды за счет сил электростатического притяжения:

Рис.3.1 Гидратированный ион натрия.

Число гидратации m=6, оно определяется только размером иона. В таком гидратированном виде находятся в воде все ионы. Это гидратная оболочка или «шуба» из молекул воды. Такие соединения с водой непрочные, существуют только в состоянии раствора. Более прочные гидраты образуют некоторые соли, вода входит в состав кристаллической решетки соли и удалить ее можно лишь нагреванием. Например, безводный сульфат меди (II) присоединяет пять молей воды, образуя синий медный купорос:

CuSO 4 + 5H 2 O « CuSO 4 5H 2 O.

Известны железный купорос FeSO 4 7H 2 O, глауберова соль Na 2 SO 4 12H 2 O, квасцы и т.д. Гидрат оксида натрия (NaOH) относится к очень прочным гидратам, его можно перегонять без разложения при 1400 о С.

Соотношение растворенное вещество – растворитель (вода) называют концентрацией раствора. В зависимости от решаемой задачи используются самые разные способы выражения этого соотношения:

1. Процентная концентрация.

Масса вещества (г) в расчете на 100г раствора. Например, в 95г воды растворяем 5г хлорида натрия. Масса раствора m= (95 + 5)г, речь идет о 5% NaCI.

1. Масса вещества (г) в расчете на 1л раствора (г/л).
2. Масса вещества (г) в расчете на 1л воды (1кг воды). Так обычно выражают соленость вод мирового океана (промилле , о/оо).
3. Молярность (М). Масса вещества в молях в расчет на 1л раствора (моль/л). Например, имеем раствор, содержащий 98г/л H 2 SO 4 . Молярная масса серной кислоты составляет как раз 98 г/моль. 98г/л H 2 SO 4 = 1М H 2 SO 4 .
4. Моляльность (m). Масса вещества в молях в расчете на 1л (кг) воды.

Существует группа свойств раствора, которые не зависят от природы растворяемого вещества, а определяются только величиной его концентрации. Такие свойства называют общими или коллигативными .

1. Понижение давления пара растворителя над раствором по сравнению с чистым растворителем.

Представим себе систему, состоящую из двух одинаковых стаканов. В первый стакан наливается вода, а во второй – такое же количество раствора в воде любого нелетучего вещества. Стаканы помещаем в термостат, изолируем от окружающей среды. Молекулы воды из поверхностного слоя могут покидать ее поверхность и перемещаться в воздух, создавая при равновесии давление насыщенного пара воды (Р о Н2О), то есть вода испаряется. В случае раствора, часть поверхности воды занята посторонними молекулами или ионами растворенного вещества, давление пара воды (Р Н2О) будет тем самым снижено на некоторую величину ΔР, зависящую от количества этих посторонних частиц: ΔР = Р о Н2О - Р Н2О. В изолированной системе возникает градиент давлений, вода из первого стакана будет переходить через пар во второй стакан до установления состояния равновесия. Из этого обстоятельства следуют важные практические выводы. Рассмотрим диаграмму состояния воды (Р–Т).

Рис.3.2 Диаграмма состояния воды.

а – давление испарения воды; б – давление пара воды над раствором.

На рис.3.2 экспонента (а) характеризует равновесие испарения воды (равновесие ж идкость – г аз), при отрицательных температурах – равновесие сублимации (Т – Г ), и, наконец, третья линия отвечает равновесию плавления воды. Реперные точки 0 о С – температура плавления воды и 100 о С – нормальная температура кипения воды, давление пара воды при этом равно внешнему нормальному давлению 1атм.

Давление пара воды над раствором снижено, линия (б) расположена несколько ниже (а), при этом температура плавления Т пл смещается в область отрицательных температур на величину ΔТ пл, а температура кипения Т кип – в сторону повышения на ΔТ кип. Эффекты пропорциональны моляльности раствора, известны в химии как законы Рауля:

ΔТ пл = К H 2 O m; ΔТ кип = E H 2 O m.

Константы К H 2 O = 1,86 о, E H 2 O = 0,52 о называют соответственно криоскопической и эбулиоскопической постоянными воды.

Например, при m=1 моль/кг воды, температура замерзания составит ─ 1,86 о С, а температура кипения 100,52 о С. Так в технике получают незамерзающие на морозе жидкости (антифризы). Чем выше моляльная концентрация, тем сильнее эффект снижения температуры замерзания. Для достижения максимального эффекта требуется хорошая растворимость вещества в воде и низкая молярная масса, (m получается больше). Чаще всего применяют раствор в воде двухатомного спирта этиленгликоля CH 2 OH – CH 2 OH (тосол).

2. Осмос.

Осмосом называют одностороннюю диффузию молекул воды через полупроницаемую мембрану. Свойством полупроницаемости, то есть способности пропускать только молекулы воды, а не растворенных в ней веществ, обладают многие материалы – все ткани живого организма, некоторые полимеры, керамика, металлокерамика. Явление изучил впервые Пфеффер в Германии. Его прибор (осмометр) состоял из стакана с водой, в который он погружал трубочку с раствором, на конце которой была натянута мембрана из кожи быка.

Рис.3.3 Осмометр Пфеффера.

Диффузия молекул воды направлена из стакана в трубку с раствором, в сторону выравнивания концентраций, достижения равновесия. Снизу вверх действует так называемое осмотическое давление (Р осм), уровень раствора в трубке поднимается до тех пор, пока Р осм не станет равным силе тяжести столба раствора. Пфеффер только успевал подливал воду в стакан.

Возникающее давление в соответствии с осмотическим законом Вант-Гоффа численно равно давлению растворенного вещества, если бы оно находилось в состоянии идеального газа при температуре Т и в объеме стакана V:

Р осм = C R T, где С – молярность, моль/л.

Выражение совпадает с уравнением состояния идеального газа Менделеева – Клапейрона. Например при концентрации раствора С=1 моль/л осмотическое давление при стандартной температуре составит:

Р осм = 1 0,082 298 = 24,5 атм (!).

Весь межтканевый обмен водой в живом организме протекает по осмотическому механизму. Присутствие в кишечнике большого избытка обычной поваренной соли приведет к немедленному поступлению воды в кишечник из всех других тканей, произойдет потеря клетками воды, то есть их массовая гибель, что называется обезвоживанием организма. Диффузия воды от корневой системы растений вверх к листьям, разбухание древесины при погружении в воду или во влажном воздухе и т.п. – примеров много.

1.2 ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ В РАЗВИТИИ ТЕОРИИ РАСТВОРОВ

Физическая теория растворов. Развитие взглядов на природу растворов с древних времен было связано с общим ходом развития науки и производства, а также с философскими представлениями о причинах химического сродства между различными веществами. В 17 и в первой половине 18в. широкое распространение в области естественных наук и философии получила корпускулярная теория растворов. В этой теории процесс растворения рассматривался как механический процесс, когда корпускулы растворителя входят в поры тел и отрывают частицы растворяемого вещества, которые занимают поры растворителя образуя единый раствор. Такие представления первоначально удовлетворительно объяснили тот факт, что данный растворитель может растворять не все вещества, а только некоторые.

В начале 19в. создаются предпосылки для развития физической теории растворов, которая явилась обобщением ряда исследований. Физическая теория растворов, возникшая главным образом на основе работ Я. Вант-Гоффа, С.Аррениуса и В. Оствальда, опиралась на экспериментальное изучение свойств разбавленных растворов (осмотическое давление, повышение температуры кипения, понижение температуры замерзания раствора, понижение давления пара над раствором), зависящие главным образом от концентрации растворенного вещества, а не от его природы. Осмос -это самопроизвольное проникновение растворителя в раствор, отдаленный от него полупроницаемой перегородкой, через которую может поступать растворитель, не может, проходит растворенное вещество.

Раствор и растворитель, разделенные полупроницаемой перегородкой можно рассматривать как две фазы. Равновесие растворителя по обе стороны от перегородки выражается равенством его химического потенциала в растворе (к которому приложено дополнительное давление)и химического потенциала чистого растворителя .

Количественные законы (Вант-Гоффа, Рауля) были интерпретированы в продолжении,что в разбавленных растворах молекулы растворенного вещества подобны молекулам идеального газа. Отступление от этих законов,наблюдаемые для растворов электролитов, были объяснены на основе теории электролитической диссоциации С.Аррениуса.

Аналогия между сильно разбавленными растворами и газами многим ученым показалась столь убедительной,что они стали рассматривать процесс растворения как физический акт. С точки зрения этих ученых растворитель является только средой, в которую могут диффундировать частицы растворенного вещества. Простота представлений физической теории растворов и успешное применение ее для объяснения многих свойств растворов обеспечили быстрый успех этой теории .

Химическая теория растворов. Д.И. Менделеев и его последователи рассматривали процесс образования раствора как разновидность химического процесса, для которого характерно взаимодействие между частицами компонентов. Д.И. Менделеев рассматривал растворы как системы,образованные частицами растворителя,растворенного вещества и неустойчивых химических соединений,которые образуются между ними и находятся в состояние частичной диссоциации. Д.И. Менделеев отмечал, что процессы,протекающие в растворе,имеют динамический характер и на необходимость использования всей суммы физических и химических сведений о свойствах частиц, образующих раствор,подчеркивал, что все компоненты раствора равноправны и без учета свойств и состояний каждого из них нельзя дать полной характеристики системы в целом. Большое значение ученый придавал изучению свойств растворов как функции температуры,давления,концентрации; он впервые высказал мысль о необходимости изучения свойств растворов в смешанных растворителях. Развивая учение Д.И. Менделеева, сторонники химического взгляда на природу растворов указали, что частицы растворенного вещества движутся не в пустоте, а в пространстве, занятом частицами растворителя, с которыми они взаимодействуют, образуя сложные,различные по устойчивости соединения. Развитием теории Д.И.Менделеева является полиэдрическая теория образования растворов, согласно которой в жидкости из однородных и разнородных молекул создаются элементарные пространственные группы-полиэдры. Однако химическая теория не может объяснить механизм образования идеальных растворов, отклонения в свойствах реальных растворов от свойств идеальных растворов.

Развитие химической теории растворов шло в нескольких направлениях объединенных единой идеей о взаимодействии растворителя с растворенным веществом. Эти исследования касались нахождения определенных соединений в растворе на основе изучения диаграмм свойство- состав, изучения давления пара над растворами, распределения веществ между двумя растворителями, изучения термохимии растворов. Работы по определению соединений в растворах были связаны с большими трудностями, так как прямым опытом было невозможно доказать существование сложных соединений (гидратов) в водных растворах, поскольку они находятся в состояние диссоциации, и попытки выделить их из растворов в неразложенном виде заканчивались неудачей. Большое значение для подтверждения химической теории растворов имели термодинамические исследования. На многих системах было показано, что при образовании раствора наблюдается охлаждение или нагревание системы,что объясняли химическими взаимодействием между компонентами. Химическую природу процесса растворения подтверждали и исследования давления пара над раствором, и изучение распределения веществ между двумя растворителями.

К началу 20 в. накопился обширный экспериментальный материал, показывающий, что растворы являются сложными системами, в которых наблюдается явление ассоциации, диссоциации, комплексообразования, и при их изучении необходимо учитывать все виды взаимодействия между частицами, имеющимися и образующимися в растворе.

В связи с большим разнообразием растворов для объяснения их природы и свойств используются представления и физической и химической теории растворов .

Адсорбция в химии

Концепции современного естествознания (химическая составляющая)

Основные законы химии и стехиометрические расчеты

Количественное (по массе или объему) изучение многих реакций и объяснение результатов эксперимента приводит к стехиометрическим законам. Основной физической величиной в химии является количество вещества. С 1 января 1963 г...

Основные физико-химические закономерности получения пленок из растворов полимеров

Полимеры в растворах, особенно концентрированных, образуют структуры, форма и размер которых зависят как от характера взаимодействия полимера с растворителем, так и от условий, в которых находится раствор (температура...

Поиск оптимального содержания пигмента в покрытиях на основе алкидного лака ПФ-060

Проводимые на кафедре "Химическая технология лаков, красок и лакокрасочных покрытий" исследования, цель которых поиск новых эффективных малотоксичных противокоррозионных пигментов...

Получение биогаза

Достаточно высокое содержание метана в биогазе, а следовательно, и высокая теплота сгорания, предоставляют широкие возможности применения биогаза...

Получение диметилового эфира дегидратацией метанола на АlPO4 +SiO2 катализаторах

В химической отрасли водород главным образом используется для синтеза метанола и аммиака. Остальная доля водорода приходящаяся на эту отрасль, используется в прочих химических производствах: например...

Получение диметилового эфира дегидратацией метанола на АlPO4 +SiO2 катализаторах

Наиболее крупнотоннажными процессам использования монооксида углерода является гидроформирование олефинов, карбонилирование метанола с получением уксусной кислоты, синтез непредельных и разветвленных карбоновых кислот...

Получение диметилового эфира дегидратацией метанола на АlPO4 +SiO2 катализаторах

Диметиловый эфир в настоящее время используется главным образом как безвредный для окружающей среды наполнитель аэрозольных баллончиков...

Роль Менеделеева в развитии мировой науки

Д.И. Менделеев писал, что есть четыре предмета, составивших его имя: три научных открытия (периодический закон, химическая теория растворов и изучение упругости газов), а также «Основы химии» - учебник-монография, равного которому, пожалуй...

Теории и термодинамика образования растворов полимеров

При рассмотрении теорий не будет делаться акцент на математических выкладках, а лишь остановлюсь на основных моментах: основные допущения и параметры, вид ключевых уравнений, достоинства и недостатки теорий. Из всего массива...

Физико-химические основы хроматографического процесса

В задачу теории хроматографии входит установление законов движения и размытия хроматографических зон. Основными факторами, положенными в основу классификации теорий хроматографии...

Характеристика процесса адсорбции

Единой теории, которая достаточно корректно описывала бы все виды адсорбции на разных поверхностях раздела фаз, не имеется; рассмотрим поэтому некоторые наиболее распространенные теории адсорбции...

Химия комплексных соединений элементов подгруппы хрома

Подобно тому как развитие химии было задержано флогистонной теорией, а развитие органической химии - представлениями о «жизненной силе»...

РАСТВОРЫ

Общие сведения

Растворы - компонентами.

«растворитель» и «растворенное вещество» полярные неполярные

гидрофильные (притягивающие воду) и гидрофобные дифильными

Теории растворов

Физическая теория растворов.

идеальными

Химическая теория растворов.

Химическая, или сольватная, теория растворов была предложена в 1887 г. Д.И. Менделеевым, который установил, что в реальном растворе присутствуют не только индивидуальные компоненты, но и продукты их взаимодействия. Исследования водных растворов серной кислоты и этилового спирта, проведенные Д.И. Менделеевым, легли в основу теории, суть которой заключается в том, что между частицами растворенного вещества и молекулами растворителя происходят взаимодействия, в результате которых образуются нестойкие соединения переменного состава, называемые сольватами или гидратами , если растворителем является вода. Главную роль в образовании сольватов играют непрочные межмолекулярные силы, в частности, водородная связь.

В этой связи следует принять следующую трактовку понятия «раствор»:

Раствором называется гомогенная система переменного состава, состоящая из двух и более компонентов и продуктов их взаимодействия.

Из данного определения следует, что растворы занимают промежуточное положение между химическими соединениями и смесями. С одной стороны, растворы однородны, что позволяет рассматривать их как химические соединения. С другой стороны, в растворах нет строгого стехиометрического соотношения между компонентами. Кроме того, растворы можно разделить на составные части (например, при упаривании раствора NaCl можно выделить соль в индивидуальном виде).

Связь между различными способами

Кислоты и основания

Несмотря на то, что понятия «кислота» и «основание» широко используются для описания химических процессов, единого подхода к классификации веществ с точки зрения отнесения их к кислотам или основаниям нет. Существующие в настоящее время теории (ионная теория С. Аррениуса , протолитическая теория И. Бренстеда и Т. Лоури и электронная теория Г. Льюиса ) имеют определенные ограничения и, таким образом, применимы лишь в частных случаях. Остановимся подробнее на каждой из этих теорий.

Теория Аррениуса.

В ионной теории Аррениуса понятия «кислота» и «основание» тесно связаны с процессом электролитической диссоциации:

Кислотой является электролит, диссоциирующий в растворах с образованием ионов Н + ;

Основаниемявляется электролит, диссоциирующий в растворах с образованием ионовОН - ;

Амфолитом (амфотерным электролитом) является электролит, диссоциирующий в растворах с образованием как ионовН + , так и ионов ОН - .

Например:

НА ⇄ Н + + А - nH + +MeO n n - ⇄Ме(ОН) n ⇄Ме n + +nОН -

В соответствии с ионной теорией кислотами могут быть как нейтральные молекулы, так и ионы, например:

HF ⇄ H + + F -

H 2 PO 4 - ⇄ H + + HPO 4 2 -

NH 4 + ⇄H + +NH 3

Аналогичные примеры можно привести и для оснований:

КОН К + + ОН -

- ⇄Al(OH) 3 + ОН -

+ ⇄Fe 2+ + ОН -

К амфолитам относят гидроксиды цинка, алюминия, хрома и некоторые другие, а также аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты.

В целом, кислотно-основное взаимодействие в растворе сводится к реакции нейтрализации:

H + + ОН - H 2 O

Однако, ряд экспериментальных данных показывает ограниченность ионной теории. Так, аммиак, органические амины, оксиды металлов типа Na 2 O, СаО, анионы слабых кислот и т.д. в отсутствии воды проявляют свойства типичных оснований, хотя не имеют в своем составе гидроксид-ионов.

С другой стороны, многие оксиды (SO 2 , SO 3 , Р 2 О 5 и т.д.), галогениды, галогенангидриды кислот, не имея в своем составе ионов водорода, даже в отсутствии воды проявляют кислотные свойства, т.е. нейтрализуют основания.

Кроме того, поведение электролита в водном растворе и в неводной среде может быть противоположным.

Так, CH 3 COOH в воде является слабой кислотой:

CH 3 COOH⇄CH 3 COO - +H + ,

а в жидком фтороводороде проявляет свойства основания:

HF + CH 3 COOH⇄CH 3 COOH 2 + +F -

Исследования подобных типов реакций и в особенности реакций, протекающих в неводных растворителях, привели к созданию более общих теорий кислот и оснований.

Теория Бренстеда и Лоури.

Дальнейшим развитием теории кислот и оснований явилась предложенная И. Бренстедом и Т. Лоурипротолитическая (протонная) теория. В соответствии с этой теорией:

Кислотой называют любое вещество, молекулы (или ионы) которого способны отдавать протон, т.е. быть донором протона;

Основанием называют любое вещество, молекулы (или ионы) которого способны присоединять протон, т.е. быть акцептором протона;

Таким образом, понятие основания значительно расширяется, что подтверждается следующими реакциями:

ОН - + Н + Н 2 О

NH 3 +H + NH 4 +

H 2 N-NH 3 + +H + H 3 N + -NH 3 +

По теории И. Бренстеда и Т. Лоури кислота и основание составляют сопряженную пару и связаны равновесием:

КИСЛОТА ⇄ ПРОТОН + ОСНОВАНИЕ

Поскольку реакция переноса протона (протолитическая реакция) обратима, причем в обратном процессе тоже передается протон, то продукты реакции являются друг по отношению к другу кислотой и основанием. Это можно записать в виде равновесного процесса:

НА + В ⇄ ВН + + А - ,

где НА – кислота, В – основание, ВН + – кислота, сопряженная с основанием В, А - – основание, сопряженное с кислотой НА.

Примеры.

1) в реакции:

HCl+OH - ⇄Cl - +H 2 O,

HCl и H 2 O – кислоты, Cl - и OH - – соответствующие сопряженные с ними основания;

2) в реакции:

HSO 4 - +H 2 O⇄SO 4 2 - +H 3 O + ,

HSO 4 - и H 3 O + – кислоты, SO 4 2 - и H 2 O – основания;

3) в реакции:

NH 4 + +NH 2 - ⇄ 2NH 3 ,

NH 4 + – кислота, NH 2 - – основание, а NH 3 выступает в роли как кислоты (одна молекула), так и основания (другая молекула), т.е. демонстрирует признаки амфотерности – способности проявлять свойства кислоты и основания.

Такой способностью обладает и вода:

2Н 2 О ⇄ Н 3 О + + ОН -

Здесь одна молекула Н 2 О присоединяет протон (основание), образуя сопряженную кислоту – ион гидроксония Н 3 О + , другая отдает протон (кислота), образуя сопряженное основание ОН - . Этот процесс называется автопротолизом .

Из приведенных примеров видно, что в отличие от представлений Аррениуса, в теории Бренстеда и Лоури реакции кислот с основаниями не приводят к взаимной нейтрализации, а сопровождаются образованием новых кислот и оснований.

Необходимо также отметить, что протолитическая теория рассматривает понятия «кислота» и «основание» не как свойство, но как функцию, которую выполняет рассматриваемое соединение в протолитической реакции. Одно и то же соединение может в одних условиях реагировать как кислота, в других – как основание. Так, в водном растворе СН 3 СООН проявляет свойства кислоты, а в 100%-й H 2 SO 4 – основания.

Однако, несмотря на свои достоинства, протолитическая теория, как и теория Аррениуса, не применима к веществам, не содержащим атомов водорода, но, в тоже время, проявляющим функцию кислоты: галогенидам бора, алюминия, кремния, олова.

Теория Льюиса.

Иным подходом к классификации веществ с точки зрения отнесения их к кислотам и основаниям явилась электронная теория Льюиса. В рамках электронной теории:

кислотой называют частицу (молекулу или ион), способную присоединять электронную пару (акцептор электронов);

основанием называют частицу (молекулу или ион), способную отдавать электронную пару (донор электронов).

Согласно представлениям Льюиса, кислота и основание взаимодействуют друг с другом с образованием донорно-акцепторной связи. В результате присоединения пары электронов у атома с электронным дефицитом возникает завершенная электронная конфигурация - октет электронов. Например:

Аналогичным образом можно представить и реакцию между нейтральными молекулами:

Реакция нейтрализации в терминах теории Льюиса рассматривается как присоединение электронной пары гидроксид-иона к иону водорода, предоставляющему для размещения этой пары свободную орбиталь:

Таким образом, сам протон, легко присоединяющий электронную пару, с точки зрения теории Льюиса, выполняет функцию кислоты. В этой связи, кислоты по Бренстеду могут рассматриваться как продукты реакции между льюисовскими кислотами и основаниями. Так, HCl является продуктом нейтрализации кислоты H + основанием Cl - , а ион H 3 O + образуется в результате нейтрализации кислоты H + основанием H 2 O.

Реакции между кислотами и основаниями Льюиса также иллюстрируют следующие примеры:

К основаниям Льюиса также относят галогенид-ионы, аммиак, алифатические и ароматические амины, кислородсодержащие органические соединения типа R 2 CO, (где R- органический радикал).

К кислотам Льюиса относят галогениды бора, алюминия, кремния, олова и других элементов.

Очевидно, что в теории Льюиса понятие «кислота» включает в себя более широкий круг химических соединений. Это объясняется тем, что по Льюису отнесение вещества к классу кислот обусловлено исключительно строением его молекулы, определяющим электронно-акцепторные свойства, и не обязательно связано с наличием атомов водорода. Льюисовские кислоты, не содержащие атомов водорода, называют апротонными .

РАСТВОРЫ

Общие сведения

Растворы - это гомогенные системы переменного состава, состоящие из двух и более веществ, называемых компонентами. По агрегатному состоянию растворы могут быть газообразными (воздух), жидкими (кровь, лимфа) и твердыми (сплавы). В медицине наибольшее значение имеют жидкие растворы, которые играют исключительную роль в жизнедеятельности живых организмов. С образованием растворов связаны процессы усвоения пищи и выведения из организма продуктов жизнедеятельности. В форме растворов вводится большое количество лекарственных препаратов.

Для качественного и количественного описания жидких растворов используются термины «растворитель» и «растворенное вещество» , хотя в некоторых случаях такое разделение является достаточно условным. Так, медицинский спирт (96% раствор этанола в воде) скорее следует рассматривать как раствор воды в спирте. Все растворители делятся на неорганические и органические. Важнейшим неорганическим растворителем (а в случае биологических систем – единственным) является вода. Это обусловлено такими свойствами воды, как полярность, низкая вязкость, склонность молекул к ассоциации, относительно высокие температуры кипения и плавления. Растворители органической природы разделяют на полярные (спирты, альдегиды, кетоны, кислоты) и неполярные (гексан, бензол, четыреххлористый углерод).

Процесс растворения в равной степени зависит как от природы растворителя, так и от свойств растворенного вещества. Очевидно, что способность образовывать растворы выражена у разных веществ по-разному. Одни вещества могут смешиваться друг с другом в любых количествах (вода и этанол), другие – в ограниченных (вода и фенол). Однако, следует помнить: абсолютно нерастворимых веществ не существует!

Склонность вещества растворяться в том или ином растворителе можно определить, используя простое эмпирическое правило: подобное растворяется в подобном. Действительно, вещества с ионным (соли, щелочи) или полярным (спирты, альдегиды) типом связи хорошо растворимы в полярных растворителях, например, в воде. И наоборот, растворимость кислорода в бензоле на порядок выше чем в воде, так как молекулы O 2 и C 6 H 6 неполярны.

Степень сродства соединения к определенному типу растворителя можно оценить, анализируя природу и количественное соотношение входящих в его состав функциональных групп, среди которых выделяют гидрофильные (притягивающие воду) и гидрофобные (отталкивающие воду). К гидрофильным относят полярные группы, такие как гидроксильная (-OH), карбоксильная (-COOH), тиольная (-SH), амино (-NH 2). Гидрофобными считают неполярные группы: углеводородные радикалы алифатического (-CH 3 , -C 2 H 5) и ароматического (-C 6 H 5) рядов. Соединения, имеющие в своем составе как гидрофильные, так и гидрофобные группы, называют дифильными . К таким соединениям относят аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты.

Теории растворов

В настоящее время известны две основные теории растворов: физическая и химическая.

Физическая теория растворов.

Физическая теория растворов была предложена С. Аррениусом (1883) и Я. Г. Вант-Гоффом (1885). В данной теории растворитель рассматривается как химически инертная среда, в которой равномерно распределены частицы (молекулы, ионы) растворенного вещества. При этом предполагается отсутствие межмолекулярного взаимодействия как между частицами растворенного вещества, так и между молекулами растворителя и частицами растворенного вещества. Однако впоследствии выяснилось, что условиям данной модели удовлетворяет поведение лишь малой группы растворов, которые были названы идеальными . В частности, идеальными растворами можно считать газовые смеси и очень сильно разбавленные растворы неэлектролитов.

Химическая, или сольватная, теория растворов была предложена в 1887 г. Д.И. Менделеевым, который установил, что в реальном растворе присутствуют не только индивидуальные компоненты, но и продукты их взаимодействия. Исследования водных растворов серной кислоты и этилового спирта, проведенные Д.И. Менделеевым, легли в основу теории, суть которой заключается в том, что между частицами растворенного вещества и молекулами растворителя происходят взаимодействия, в результате которых образуются нестойкие соединения переменного состава, называемые сольватами или гидратами , если растворителем является вода. Главную роль в образовании сольватов играют непрочные межмолекулярные силы, в частности, водородная связь.

В этой связи следует принять следующую трактовку понятия «раствор»:

Раствором называется гомогенная система переменного состава, состоящая из двух и более компонентов и продуктов их взаимодействия.

Из данного определения следует, что растворы занимают промежуточное положение между химическими соединениями и смесями. С одной стороны, растворы однородны, что позволяет рассматривать их как химические соединения. С другой стороны, в растворах нет строгого стехиометрического соотношения между компонентами. Кроме того, растворы можно разделить на составные части (например, при упаривании раствора NaCl можно выделить соль в индивидуальном виде).

Основные способы выражения концентрации растворов

Количественный состав раствора чаще всего оценивают при помощи понятия концентрации , под которым понимают содержание растворенного вещества (в определенных единицах) в единице массы (объема) раствора (растворителя). Основными способами выражения концентрации растворов являются следующие:

1. Массовая доля вещества  (x )  это отношение массы данного компонента x, содержащегося в системе, к общей массе этой системы:

Единицей количества вещества является моль, т. е. то количество вещества, которое содержит столько реальных или условных частиц, сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа С 12 . При использовании моля как единицы количества вещества следует знать, какие частицы имеются в виду: молекулы, атомы, электроны или другие. Молярная масса М(х)  это отношение массы к количеству вещества (г/моль):

3. Молярная концентрация эквивалента С(x )  это отношение количества эквивалента вещества n(x) к объему раствора V р-ра:

Химический эквивалент – это реальная или условная частица вещества, которая может замещать, присоединять или высвобождать 1 ион водорода в кислотно-основных или ионообменных реакциях.

Так же, как молекула, атом или ион, эквивалент безразмерен.

Масса моля эквивалентов называется молярной массой эквивалента М(x ). Величина называется фактором эквивалентности . Она показывает, какая доля реальной частицы вещества соответствует эквиваленту. Для правильного определения эквивалента вещества надо исходить из конкретной реакции, в которой это вещество участвует, например, в реакции взаимодействия Н 3 РО 4 с NaOH может происходить замещение одного, двух или трех протонов:

1. H 3 PO 4 + NaOH  NaH 2 PO 4 + H 2 O;

2. H 3 PO 4 + 2NaOH  Na 2 HPO 4 + 2H 2 O;

3. H 3 PO 4 + 3NaOH  Na 3 PO 4 + 3H 2 O.

В соответствии с определением эквивалента, в 1-й реакции замещается один протон, следовательно, молярная масса эквивалента вещества равна молярной массе, т. е. z  l и . В данном случае:

Во 2-й реакции происходит замещение двух протонов, следовательно, молярная масса эквивалента составит половину молярной массы Н 3 РО 4 , т. e. z  2, а
. Здесь:

В 3-й реакции происходит замещение трех протонов и молярная масса эквивалента составит третью часть молярной массы Н 3 РО 4 , т.е. z  3, a
. Соответственно:

В реакциях обмена, где непосредственно не участвуют протоны, эквиваленты могут быть определены косвенным путем, введением вспомогательных реакций, анализ результатов которых позволяет вывести правило, что z для всех реакций равен суммарному заряду обменивающихся ионов в молекуле вещества, участвующего в конкретной химической реакции.

1. AlCl 3 + 3AgNO 3 = Al(NO 3) 3 + 3AgCl.

Для AlCl 3 обменивается 1 ион Al 3+ с зарядом +3, следовательно, z = 13 = 3. Таким образом:

Можно также сказать, что обмениваются 3 иона хлора с зарядом 1. Тогда z = 31 = 3 и

Для AgNO 3 z = 11 = 1 (обменивается 1 ион Ag + с зарядом +1 или обменивается 1 ион NO 3  с зарядом 1).

2. Al 2 (SO 4) 3 + 3BaCl 2 = 3BaSO 4  + 2AlCl 3 .

Для Al 2 (SO 4) 3 z = 23 = 6 (обменивается 2 иона Al 3+ с зарядом +3 или 3 иона SO 4 2  с зарядом 2). Следовательно,

Итак, запись С(H 2 SO 4) = 0,02 моль/л означает, что имеется раствор, в 1 л которого содержится 0,02 моль эквивалента H 2 SO 4 , а молярная масса эквивалента H 2 SO 4 составляет при этом молярной массыH 2 SO 4 , т. е. 1 л раствора содержит
H 2 SO 4 .

При факторе эквивалентности молярная концентрация эквивалента равна молярной концентрации раствора.

4. Титр Т(x ) – это отношение массы вещества к объему раствора (в мл):

6. Мольная доля N(x ) – это отношение количества вещества данного компонента,содержащегося всистеме, к общему количеству веществ системы:

Выражается в долях единицы или в %.

7. Коэффициентом растворимости вещества Р(x ) называют максимальную массу вещества, выраженную в г, которая может раствориться в 100 г растворителя.

Дополнительный материал по теме: «Физическая теория растворов. Химическая теория растворов. Теория растворов И. А. Каблукова. Объединённая теория растворов». Вся практическая деятельность человека с самой глубокой древности связана с использованием воды и водных растворов. Разнообразными растворами пользовались при изготовлении строительных материалов, красок, стекла, керамики. Глиняные изделия, неразгаданные рецепты цветной глазури, покрывающие стены подземных гробниц фараонов, искусство бальзамирования, достигшее в Древнем Египте замечательного развития, – всё это опять же растворы, причём достаточно сложные по составу и весьма умело приготовленные тогда, первыми естествоиспытателями. глубине веков, в Чтобы получился раствор, должен пройти процесс растворения, который сопровождается, как и всякая химическая реакция, либо выделением теплоты (экзотермический процесс), либо её поглощением (эндотермический процесс). В этом можно убедиться на простых опытах. Если в стакан, наполненный наполовину водой, опустить термометр и прилить концентрированной серной кислоты, то ртуть в термометре резко пойдёт вверх. Такой стакан даже в руки взять трудно – настолько он горяч. Если же начать растворять нитрат аммония или роданид аммония, приливая в стакан, где находятся эти соли, понемножку воды, то стакан настолько охладится, что даже может примёрзнуть к лабораторному столу. Что же за соединения возникают в растворах? Д. И. Менделеев, наиболее глубоко разработавший химическую теорию растворов, предложил называть их сольватами (от латинского слова solvere – растворять). При растворении в воде процесс образования таких соединений именуется гидратацией, а образующиеся продукты – гидратами. Поэтому химическую теорию растворов называли сольватной или гидратной теорией растворов. На основе этой теории стали понятны такие явления, как, например, превращение смеси сульфата кальция с водой в твёрдую массу. Этим процессом пользуются при наложении гипсовых повязок при переломах. Сульфат кальция и вода образуют прочные соединения, из которых воду выделить очень трудно. Стала понятна и природа изменения цвета солей, осаждающихся из растворов при различных условиях. Например, известно, что соль CuSO4 белого цвета. Однако в воде образуется голубой раствор этого вещества, а при осаждении из его соли получаются синие кристаллы. Прокаливанием при 250 С их можно снова сделать белыми. Собранный при этом пар оказывается обыкновенной водой. Таким образом, голубые или

синие кристаллы состоят из молекул соли и воды, которая и придает кристаллам цвет. По виду и на ощупь голубая соль совершенно сухая. Такие соединения вещества с водой, имеющие форму кристаллов, называются кристаллогидратами. Их состав может быть определён взвешиванием кристаллов на одну молекулу соли, например:  10H2O CuSO4  5H2O H2SO4  H2O MgSO4 Однако химическая теория не позволяла количественно предсказать изменения свойств растворов в зависимости от концентрации растворённого вещества, не объясняла, как могут быть построены сольватированные молекулы. Авторы химической теории растворов переносили соотношения, хорошо известные для газов, на вещество в растворённом состоянии. Правда, дело ограничивалось лишь сильно разбавленными растворами. «Я установил, – писал Вант­Гофф, – для слабых растворов законы, аналогичные законам Бойля – Мариотта и Гей­Люссака для газов…» Пользуясь уравнениями закономерностей, широко известных для газов, можно было производить довольно точные расчёты. Теория Вант­Гоффа оправдалась для разбавленных растворов многих веществ. Однако для растворов неорганических солей, таких как NaCl, KNO3, результаты опыта и расчёта отличались почти в два раза, а для MgCl2 или Ca(NO3)2 даже ещё больше. Причём чем более разбавлен раствор в воде, тем больше наблюдалось отклонений от расчётной величины. То же самое происходило с растворами кислот и оснований. С. Аррениус предположил, что вещества, растворы которых проводят электрический ток, распадаются на отдельные заряженные частицы – ионы, а ионы ведут себя как «свободные» частицы и со средой не взаимодействуют. В теории С. Аррениуса отмечалось также, что при растворении электролиты распадаются на ионы не полностью: только определённая часть вещества находится в растворе в виде ионов. Для упрощения физической картины автор теории предположил, что между образующимися ионами, ввиду низкой концентрации вещества, отсутствует электростатическое взаимодействие. Противники теории электролитической диссоциации сразу же увидели её главный недостаток: в ней не указывалась причина диссоциации электролитов. Неудивительно, что теория С. Аррениуса подверглась острой критике со стороны многих учёных. В период самого разгара борьбы сторонников физической и химической теорий в лаборатории одного из создателей физической химии – В. Оствальда

– появился молодой русский химик И. А. Каблуков, командированный из Московского университета для ознакомления с методами новой области химии. Он быстро подружился с С. Аррениусом и русским химиком В. А. Кистяковским. Повторив исследования зависимости электропроводности растворов электролитов в воде от их концентрации, И. А. Каблуков подтвердил правильность выводов С. Аррениуса. Значит, действительно в водных растворах молекулы электролитов диссоциируют на ионы. Но участвует ли в этом растворитель? И. А. Каблуков сравнивает поведение электролитов в различных растворителях и приходит к выводу, что причиной диссоциации электролитов в воде является гидратация. Именно этот процесс и приводит к ослаблению связей в молекулах и их распаду на ионы. Сторонники же химической теории, утверждая идею о взаимодействии растворённого вещества и растворителя, не допускали мысли о распаде вещества на отдельные заряженные ионы. И. А. Каблуков установил, что химическое взаимодействие растворителя с молекулами электролитов приводит к их распаду на ионы. Вода, образуя соединение с молекулами электролитов, «растаскивает» их, разделяет на ионы. Мало того, она образует с этими ионами соединения. В результате было выдвинуто представление о гидратации ионов. (Надо сказать, что идея о взаимодействии ионов с водой практически одновременно с И. А. Каблуковым была высказана и другим молодым русским химиком В. А. Кистяковским.) И. А. Каблуков последовательно развил эту идею и отстоял в споре со сторонниками физической и химической теории. Он показал, что основные положения теории химического взаимодействия веществ и физической теории Вант­Гоффа, взаимно дополняя друг друга, способны объяснить практически все факты, связанные с растворением веществ и их поведением в растворах. Так, если серную кислоту смешать с эфиром, то такой раствор ток не проводит: взаимодействие этих веществ невелико. В этом случае оказывались справедливыми формулы Вант­Гоффа. Получается как бы частный случай общей теории. При сильном взаимодействии растворённого вещества с растворителем (например, серной кислоты или сульфата меди CuSO4 с водой) происходит распад на ионы. Однако смотреть на ионы лишь как на «свободные» газоподобные частицы нельзя. Каблуков считал, что вода, разлагая молекулы растворённого тела, входит с ионами в непрочные соединения, находящиеся в состоянии диссоциации. По мнению же С. Аррениуса, ионы свободно двигаются, подобно атомам. Ионы существуют в растворе, окружённые молекулами

воды. Каждому иону соответствует определённое число молекул, входящих в его «свиту». Так, медный купорос имеет формулу CuSO4  5H2O. Из этих 2–. молекул воды четыре окружают ион меди и лишь одна – анион SO4 Отрицательные ионы вообще плохо гидратируются. Предложенная И. А. Каблуковым трактовка ионизации растворённых веществ стала общепризнанной. «Растворитель, действуя на растворённое тело, изменяет его физические и химические свойства, – писал И. А. Каблуков, – и от величины взаимодействия между растворённым телом и растворителем зависят все свойства раствора». Представление о гидратации ионов И. А. Каблукова и В. А. Кистяковского позволило верно объяснить распад вещества на отдельные заряженные ионы, то есть электролитическую диссоциацию: молекулы электролитов (кислот, оснований и солей) в водных растворах распадаются на ионы под действием молекул воды. Таким же диссоциирующим действием обладает ещё небольшое число растворителей, но вода стоит как бы особняком. Сильное диссоциирующее действие её связано с тем, что молекула воды полярна. В молекуле воды центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают, и она представляет как бы стержень, имеющий избыточные заряды на концах. У электролитов в молекулах тоже положительные и отрицательные заряды распределены неравномерно. Рассмотрим процесс диссоциации молекул какого­либо электролита, пользуясь представлениями объединённой теории растворов (Менделеева – Вант­Гоффа – Аррениуса – Каблукова). Выберем для примера хлороводород (HCl), то вещество, электропроводность растворов которого в различных растворителях много изучал И. А. Каблуков. Молекула этого вещества полярна. Атомы водорода и хлора имеют некоторый избыточный заряд: первый из них положителен, а второй – отрицателен. Молекулы растворителя, если у них тоже имеется смещение зарядов (+ и –), совершенно определённым образом ориентируются вокруг молекулы HCl. Разноимённые полюса этих молекул притягиваются. Теперь всё зависит от того, насколько сильно химическое взаимодействие между ионами, из которых состоит HCl, и растворителем. Если оно невелико, то вещество в основном будет находиться в виде целых молекул и электрический ток практически проводить не будет. Таковы растворы HCl в эфире и бензоле. В воде же и в других более или менее полярных растворителях (например, метиловом спирте) взаимодействие растворителя с ионами, входящими в хлороводород, велико. Например, катион водорода Н+ просто не может существовать один: этот катион (протон) так крепко связывается с молекулой воды, что существует только в виде иона гидроксония:

Н+ + Н2О  Н3О+ Молекулы полярных растворителей притягиваются к ионам сильнее, чем катион и анион связываются друг с другом в молекуле вещества. Вследствие этого происходит диссоциация электролита: HCl ⇄ H+ + Cl–, или, точнее, Ионы существуют в растворе в комплексе с молекулами растворителя, как, в частности, ион Cu2+ c 4H2O; Fe2+ c 6Н2О и т. п. Этим и определяется изменение свойств раствора по сравнению с характеристиками растворителя и растворённого вещества, взятых по отдельности. И. А. Каблуков выполнил ряд фундаментальных исследований различных растворов. Результаты его работ позволили расширить границы теории растворов и распространить её на все водные и неводные среды, в том числе и смешанные, состоящие из нескольких растворителей. Это дало мощный импульс дальнейшему развитию учения об ионах в растворе, о способности растворов переносить электрические заряды и т. д.