ROZWIĄZANIA

Informacje ogólne

Rozwiązania - składniki.

"rozpuszczalnik" I „rozpuszczalny” polarny niepolarny

hydrofilowy(przyciąganie wody) i hydrofobowy dyfiliczny

Teorie rozwiązań

Fizyczna teoria rozwiązań.

ideał

Chemiczna teoria roztworów.

Chemiczną lub solwatową teorię roztworów zaproponował w 1887 r. D.I. Mendelejew, który to odkrył prawdziwy rozwiązanie zawiera nie tylko poszczególne składniki, ale także produkty ich interakcji. Badania wodnych roztworów kwasu siarkowego i alkoholu etylowego przeprowadzone przez D.I. Mendelejew, stanowił podstawę teorii, której istotą jest to, że między cząsteczkami substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika zachodzą interakcje, w wyniku których powstają niestabilne związki o zmiennym składzie, zwane solwaty lub nawilża jeśli rozpuszczalnikiem jest woda. Główną rolę w tworzeniu solwatów odgrywają niestabilne siły międzycząsteczkowe, w szczególności wiązania wodorowe.

W związku z tym należy przyjąć następującą interpretację pojęcia „rozwiązania”:

Rozwiązaniem jest jednorodny układ o zmiennym składzie, składający się z dwóch lub więcej składników i produktów ich wzajemnego oddziaływania.

Z definicji tej wynika, że ​​roztwory zajmują pozycję pośrednią między związkami chemicznymi i mieszaninami. Z jednej strony roztwory są jednorodne, co pozwala uznać je za związki chemiczne. Z drugiej strony nie ma ścisłego stosunku stechiometrycznego między składnikami roztworów. Ponadto roztwory można podzielić na części składowe (np. po odparowaniu roztworu NaCl sól można wyodrębnić indywidualnie).

Komunikacja między różnymi sposobami

Kwasy i zasady

Pomimo tego, że pojęcia „kwas” i „zasada” są szeroko stosowane do opisu procesów chemicznych, nie ma jednego podejścia do klasyfikacji substancji pod kątem klasyfikacji ich jako kwasy lub zasady. Aktualne teorie ( joński teoria S. Arrheniusa, protolityczny teoria I. Bronsted i T. Lowry I elektroniczny teoria G. Lewisa) mają pewne ograniczenia i dlatego mają zastosowanie tylko w szczególnych przypadkach. Przyjrzyjmy się bliżej każdej z tych teorii.

Teoria Arrheniusa.

W jonowej teorii Arrheniusa pojęcia „kwas” i „zasada” są ściśle związane z procesem dysocjacji elektrolitycznej:

Kwas jest elektrolitem, który dysocjuje w roztworach, tworząc jony H+;

Zasada jest elektrolitem, który dysocjuje w roztworach, tworząc jony OH -;

Amfolit (elektrolit amfoteryczny) to elektrolit, który dysocjuje w roztworach, tworząc zarówno jony H +, jak i jony OH -.

Na przykład:

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

Zgodnie z teorią jonów kwasami mogą być zarówno cząsteczki obojętne, jak i jony, np.:

HF⇄H++F-

H 2 PO 4 - ⇄ H + + HPO 4 2 -

NH4 + H + + NH3

Podobne przykłady można podać dla podstaw:

KOH K + + OH -

- ⇄Al(OH) 3 + OH -

+ ⇄Fe 2+ + OH -

Do amfolitów należą wodorotlenki cynku, glinu, chromu i niektórych innych, a także aminokwasy, białka, kwasy nukleinowe.

Ogólnie oddziaływanie kwasowo-zasadowe w roztworze sprowadza się do reakcji neutralizacji:

H + + OH - H 2 O

Jednak szereg danych eksperymentalnych wskazuje na ograniczenia teorii jonów. A więc amoniak, aminy organiczne, tlenki metali, takie jak Na 2 O, CaO, aniony słabych kwasów itp. w nieobecności wody wykazują właściwości typowych zasad, chociaż nie zawierają jonów wodorotlenowych.

Z drugiej strony wiele tlenków (SO 2 , SO 3 , P 2 O 5 , itp.), halogenków, halogenków kwasowych, pozbawionych w swoim składzie jonów wodorowych, nawet przy braku wody wykazuje właściwości kwasowe, tj. zasady są neutralizowane.

Ponadto zachowanie elektrolitu w roztworze wodnym i w środowisku niewodnym może być odwrotne.

Tak więc CH 3 COOH w wodzie jest słabym kwasem:

CH 3 COOH⇄ CH 3 COO - + H +,

a w ciekłym fluorowodorze wykazuje właściwości zasady:

HF + CH3 COOH⇄CH3 COOH2 + +F -

Badania tego typu reakcji, aw szczególności reakcji zachodzących w rozpuszczalnikach niewodnych, doprowadziły do ​​powstania bardziej ogólnych teorii kwasów i zasad.

Teoria Bronsteda i Lowry'ego.

Dalszym rozwinięciem teorii kwasów i zasad była teoria protolityczna (protonowa) zaproponowana przez I. Bronsteda i T. Lowry'ego. Zgodnie z tą teorią:

Kwasem jest każda substancja, której cząsteczki (lub jony) są zdolne do oddawania protonu, tj. być dawcą protonów;

Zasada to dowolna substancja, której cząsteczki (lub jony) są zdolne do przyłączenia protonu, tj. być akceptorem protonów;

W ten sposób koncepcja podstawy jest znacznie rozszerzona, co potwierdzają następujące reakcje:

OH - + H + H 2 O

NH3+H+NH4+

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

Zgodnie z teorią I. Bronsteda i T. Lowry'ego kwas i zasada tworzą parę sprzężoną i są połączone równowagą:

KWAS ⇄ PROTON + BAZA

Ponieważ reakcja przeniesienia protonu (reakcja protolityczna) jest odwracalna, a proton jest również przenoszony w procesie odwrotnym, produkty reakcji są względem siebie kwasem i zasadą. Można to zapisać jako proces równowagi:

WŁ + B ⇄ VN + + A -,

gdzie HA to kwas, B to zasada, BH + to kwas sprzężony z zasadą B, A - to zasada sprzężona z kwasem HA.

Przykłady.

1) w reakcji:

HCl + OH - ⇄Cl - + H 2 O,

HCl i H2O są kwasami, Cl - i OH - są odpowiednimi sprzężonymi zasadami;

2) w reakcji:

HSO4 - + H2O⇄SO4 2 - + H3O+,

kwasy HSO 4 - i H 3 O + -, zasady SO 4 2 - i H 2 O -;

3) w reakcji:

NH 4 + + NH 2 - ⇄ 2NH 3,

NH 4 + to kwas, NH 2 - to zasada, a NH 3 działa zarówno jako kwas (jedna cząsteczka), jak i zasada (inna cząsteczka), tj. wykazuje oznaki amfoteryczności – zdolność do wykazywania właściwości kwasowych i zasadowych.

Woda ma również tę zdolność:

2H 2 O ⇄ H 3 O + + OH -

Tutaj jedna cząsteczka H 2 O przyłącza proton (zasadę), tworząc sprzężony kwas - jon hydroniowy H 3 O +, druga daje proton (kwas), tworząc sprzężoną zasadę OH -. Ten proces nazywa się autoprotoliza.

Z powyższych przykładów widać, że w przeciwieństwie do idei Arrheniusa, w teorii Brönsteda i Lowry'ego reakcje kwasów z zasadami nie prowadzą do wzajemnej neutralizacji, ale towarzyszą powstawaniu nowych kwasów i zasad. .

Należy również zauważyć, że teoria protolityczna traktuje pojęcia „kwasu” i „zasady” nie jako właściwości, ale jako funkcję, którą dany związek spełnia w reakcji protolitycznej. Ten sam związek może reagować jako kwas w pewnych warunkach i jako zasada w innych. Tak więc w wodnym roztworze CH 3 COOH wykazuje właściwości kwasu, aw 100% H 2 SO 4 - zasady.

Jednak mimo swoich zalet teoria protolityczna, podobnie jak teoria Arrheniusa, nie ma zastosowania do substancji, które nie zawierają atomów wodoru, ale jednocześnie pełnią funkcję kwasową: halogenki boru, glinu, krzemu i cyny .

Teoria Lewisa.

Odmiennym podejściem do klasyfikacji substancji pod kątem klasyfikacji ich jako kwasy i zasady była teoria elektronowa Lewisa. W ramach teorii elektroniki:

kwas jest cząstką (cząsteczką lub jonem) zdolną do przyłączenia pary elektronowej (akceptor elektronów);

Zasada to cząstka (cząsteczka lub jon) zdolna do oddania pary elektronów (donor elektronów).

Według Lewisa kwas i zasada oddziałują ze sobą, tworząc wiązanie donor-akceptor. W wyniku dodania pary elektronów atom z niedoborem elektronów ma kompletną konfigurację elektronową - oktet elektronów. Na przykład:

Reakcję między obojętnymi cząsteczkami można przedstawić w podobny sposób:

Reakcja neutralizacji w rozumieniu teorii Lewisa jest uważana za dodanie pary elektronowej jonu wodorotlenowego do jonu wodorowego, co zapewnia swobodny orbital, aby pomieścić tę parę:

Zatem sam proton, który z łatwością przyłącza parę elektronów, z punktu widzenia teorii Lewisa, pełni funkcję kwasu. W związku z tym kwasy Bronsteda można uznać za produkty reakcji między kwasami Lewisa a zasadami. Tak więc HCl jest produktem neutralizacji kwasu H + zasadą Cl -, a jon H 3 O + powstaje w wyniku neutralizacji kwasu H + zasadą H 2 O.

Reakcje między kwasami i zasadami Lewisa są również zilustrowane następującymi przykładami:

Zasady Lewisa obejmują również jony halogenkowe, amoniak, aminy alifatyczne i aromatyczne, związki organiczne zawierające tlen typu R2CO (gdzie R oznacza rodnik organiczny).

Kwasy Lewisa obejmują halogenki boru, glinu, krzemu, cyny i innych pierwiastków.

Oczywiście w teorii Lewisa pojęcie „kwasu” obejmuje szerszy zakres związków chemicznych. Tłumaczy się to tym, że według Lewisa przypisanie substancji do klasy kwasów wynika wyłącznie ze struktury jej cząsteczki, która determinuje właściwości akceptora elektronów i niekoniecznie wiąże się z obecnością wodoru atomy. Nazywa się kwasy Lewisa, które nie zawierają atomów wodoru aprotyczny.

ROZWIĄZANIA

Informacje ogólne

Rozwiązania - Są to jednorodne układy o zmiennym składzie, składające się z dwóch lub więcej substancji, zwane składniki. W zależności od stanu skupienia roztwory mogą być gazowe (powietrze), płynne (krew, limfa) i stałe (stopy). W medycynie największe znaczenie mają płynne roztwory, które odgrywają wyjątkową rolę w życiu żywych organizmów. Z tworzeniem się roztworów związane są procesy asymilacji pokarmu i wydalania produktów przemiany materii z organizmu. Wiele leków podaje się w postaci roztworów.

Do jakościowego i ilościowego opisu roztworów ciekłych stosuje się terminy "rozpuszczalnik" I „rozpuszczalny”, choć w niektórych przypadkach taki podział jest raczej warunkowy. Tak więc alkohol medyczny (96% roztwór etanolu w wodzie) należy raczej traktować jako roztwór wody w alkoholu. Wszystkie rozpuszczalniki dzielą się na nieorganiczne i organiczne. Najważniejszym rozpuszczalnikiem nieorganicznym (aw przypadku układów biologicznych jedynym) jest woda. Wynika to z takich właściwości wody jak polarność, niska lepkość, skłonność cząsteczek do asocjacji oraz stosunkowo wysoka temperatura wrzenia i topnienia. Rozpuszczalniki organiczne dzielą się na polarny(alkohole, aldehydy, ketony, kwasy) oraz niepolarny(heksan, benzen, czterochlorek węgla).

Proces rozpuszczania w równym stopniu zależy od natury rozpuszczalnika i właściwości substancji rozpuszczonej. Oczywiście zdolność do tworzenia roztworów wyraża się w różnych substancjach na różne sposoby. Niektóre substancje można mieszać ze sobą w dowolnych ilościach (woda i etanol), inne - w ograniczonych ilościach (woda i fenol). Należy jednak pamiętać: absolutnie nierozpuszczalne substancje nie istnieją!

Skłonność substancji do rozpuszczania się w określonym rozpuszczalniku można określić, stosując prostą praktyczną zasadę: Podobny rozpływa się w Podobnym. Rzeczywiście, substancje z wiązaniem jonowym (sole, zasady) lub polarnym (alkohole, aldehydy) są dobrze rozpuszczalne w rozpuszczalnikach polarnych, na przykład w wodzie. I odwrotnie, rozpuszczalność tlenu w benzenie jest o rząd wielkości wyższa niż w wodzie, ponieważ cząsteczki O 2 i C 6 H 6 są niepolarne.

Stopień powinowactwa związku do określonego rodzaju rozpuszczalnika można ocenić, analizując charakter i stosunek ilościowy jego składowych grup funkcyjnych, wśród których są hydrofilowy(przyciąganie wody) i hydrofobowy(odpychają wodę). Hydrofilowe obejmują grupy polarne, takie jak hydroksyl (-OH), karboksyl (-COOH), tiol (-SH), amino (-NH 2). Za hydrofobowe uważa się grupy niepolarne: rodniki węglowodorowe serii alifatycznej (-CH 3, -C 2 H 5) i aromatycznej (-C 6 H 5). Nazywa się związki zawierające zarówno grupy hydrofilowe, jak i hydrofobowe dyfiliczny. Do takich związków należą aminokwasy, białka, kwasy nukleinowe.

Teorie rozwiązań

Obecnie znane są dwie główne teorie rozwiązań: fizyczna i chemiczna.

Fizyczna teoria rozwiązań.

Fizyczną teorię rozwiązań zaproponowali S. Arrhenius (1883) i J.G. van't Hoff (1885). W tej teorii rozpuszczalnik jest uważany za chemicznie obojętny ośrodek, w którym cząstki (cząsteczki, jony) substancji rozpuszczonej są równomiernie rozmieszczone. W tym przypadku zakłada się, że nie ma międzycząsteczkowego oddziaływania zarówno pomiędzy cząstkami substancji rozpuszczonej, jak i pomiędzy cząsteczkami rozpuszczalnika i cząstkami substancji rozpuszczonej. Jednak później okazało się, że warunki tego modelu spełnia zachowanie tylko niewielkiej grupy rozwiązań, które zostały nazwane ideał. W szczególności mieszaniny gazów i bardzo rozcieńczone roztwory nieelektrolitów można uznać za rozwiązania idealne.

Powyżej pokazano, że odczyn czystej wody jest obojętny (pH = 7). Wodne roztwory kwasów i zasad mają odpowiednio kwaśne (pH< 7) и щелочную (рН >7) reakcja. Praktyka pokazuje jednak, że nie tylko kwasy i zasady, ale także sole mogą mieć odczyn zasadowy lub kwaśny – przyczyną tego jest hydroliza soli. Oddziaływanie soli z wodą, w wyniku którego powstaje kwas (lub sól kwaśna) i zasada (lub sól zasadowa), nazywa się hydrolizą soli. Rozważ hydrolizę soli następujących głównych typów: 1. Sole mocnej zasady i mocnego kwasu (na przykład KBr, NaNO3) nie hydrolizują po rozpuszczeniu w wodzie, a roztwór soli ma odczyn obojętny ....

Powszechnie wiadomo, że niektóre substancje w stanie rozpuszczonym lub stopionym przewodzą prąd elektryczny, podczas gdy inne nie przewodzą prądu w tych samych warunkach. Można to zaobserwować za pomocą prostego instrumentu. Składa się z prętów węglowych (elektrod) połączonych przewodami z siecią elektryczną. W obwodzie znajduje się żarówka elektryczna, która wskazuje na obecność lub brak prądu w obwodzie. Jeśli elektrody są zanurzone w roztworze cukru, lampa nie zapala się. Ale zaświeci się jasno, jeśli zostaną zanurzone w roztworze chlorku sodu. Substancje, które rozkładają się na jony w roztworach lub topi się, a zatem przewodzą prąd elektryczny, nazywane są elektrolitami. Substancje, które nie rozkładają się na jony w tych samych warunkach i nie przewodzą prądu elektrycznego, nazywane są nieelektrolitami. Do elektrolitów należą kwasy, zasady i prawie wszystkie sole, nieelektrolity - większość związków organicznych,...

Aby wyjaśnić cechy wodnych roztworów elektrolitów, szwedzki naukowiec S. Arrhenius w 1887 r. zaproponował teorię dysocjacji elektrolitycznej. Później został opracowany przez wielu naukowców na podstawie teorii budowy atomów i wiązań chemicznych. Obecną treść tej teorii można sprowadzić do następujących trzech twierdzeń: 1. Po rozpuszczeniu w wodzie elektrolity rozkładają się (dysocjują) na jony dodatnie i ujemne. Jony są w bardziej stabilnych stanach elektronowych niż atomy. Mogą składać się z jednego atomu - są to jony proste (Na+, Mg2+, Al3+ itp.) - lub z kilku atomów - są to jony złożone (NO3-, SO2-4, ROZ-4 itp.). 2. Pod wpływem prądu elektrycznego jony przybierają kierunek ukierunkowany: jony naładowane dodatnio w kierunku katody, jony naładowane ujemnie w kierunku anody. Dlatego te pierwsze nazywane są kationami, drugie anionymi. Ukierunkowany ruch jonów następuje w wyniku ich przyciągania przez przeciwnie naładowane elektrody. 3. Dysocjacja jest procesem odwracalnym: równolegle z rozpadem cząsteczek na jony (dysocjacja) zachodzi proces łączenia jonów (asocjacji). Dlatego w równaniach dysocjacji elektrolitycznej zamiast znaku równości umieszcza się znak odwracalności. Na przykład,…

Istotne jest pytanie o mechanizm dysocjacji elektrolitycznej. Najłatwiej dysocjują substancje z wiązaniem jonowym. Jak wiesz, substancje te składają się z jonów. Kiedy się rozpuszczają, dipole wody orientują się wokół jonów dodatnich i ujemnych. Między jonami i dipolami wody powstają siły wzajemnego przyciągania. W rezultacie wiązanie między jonami słabnie i następuje przejście jonów z kryształu do roztworu. Na…

Wykorzystując teorię dysocjacji elektrolitycznej podano definicje oraz opisano właściwości kwasów, zasad i soli. Elektrolity nazywane są kwasami, podczas których dysocjacji powstają tylko kationy wodoru jako kationy H3PO4 H+ + H2PO-4 (pierwszy etap) H2PO-4 H+ + HPO2-4 (drugi etap) HPO2-4 H+ PO3-4 (trzeci etap) Dysocjacja kwasu wielozasadowego przebiega głównie przez pierwszy etap, w mniejszym stopniu przez drugi, a tylko w niewielkim stopniu przez trzeci. Dlatego w wodnym roztworze np. kwasu fosforowego wraz z cząsteczkami H3PO4 znajdują się jony (w sukcesywnie malejących ilościach) H2PO2-4, HPO2-4 i PO3-4. Zasady nazywane są elektrolitami, podczas których dysocjacji powstają tylko jony wodorotlenkowe jako aniony. Na przykład: KOH K+ + OH—;…

Ponieważ dysocjacja elektrolityczna jest procesem odwracalnym, roztwory elektrolitów zawierają cząsteczki wraz z ich jonami. Dlatego roztwory elektrolitów charakteryzują się stopniem dysocjacji (oznaczonym grecką literą alfa α). Stopień dysocjacji to stosunek liczby cząsteczek N 'rozbitych na jony do całkowitej liczby rozpuszczonych cząsteczek N: Stopień dysocjacji elektrolitu jest określany empirycznie i wyrażany w ułamkach jednostkowych lub w procentach. Jeśli α = 0, to nie ma dysocjacji, a jeśli α = 1 lub 100%, to elektrolit całkowicie rozkłada się na jony. Jeśli α = 20%, to oznacza to, że na 100 cząsteczek tego elektrolitu 20 rozkłada się na jony. Różne elektrolity mają różne stopnie dysocjacji. Doświadczenie pokazuje, że zależy to od stężenia elektrolitu i temperatury. Wraz ze spadkiem stężenia elektrolitu ...

Zgodnie z teorią dysocjacji elektrolitycznej wszystkie reakcje w wodnych roztworach elektrolitów są reakcjami między jonami. Nazywa się je reakcjami jonowymi, a równania tych reakcji nazywane są równaniami jonowymi. Są prostsze niż równania reakcji zapisane w postaci molekularnej i są bardziej ogólne. Podczas kompilowania równań reakcji jonowych należy kierować się faktem, że substancje słabo zdysocjowane, słabo rozpuszczalne (wytrącające) i gazowe są zapisane w postaci molekularnej. Znak ↓ występujący przy wzorze substancji oznacza, że ​​substancja ta opuszcza sferę reakcji w postaci osadu, znak oznacza, że ​​substancja jest usuwana ze sfery reakcyjnej w postaci gazu. Silne elektrolity, całkowicie zdysocjowane, są rejestrowane jako jony. Suma ładunków elektrycznych po lewej stronie równania musi być równa sumie ładunków elektrycznych po prawej stronie. Aby skonsolidować te przepisy, rozważ dwa przykłady. Przykład 1. Napisz równania reakcji między roztworami chlorku żelaza (III) i wodorotlenku sodu w postaci molekularnej i jonowej. Podzielmy rozwiązanie problemu na cztery etapy. jeden….

KH2O = 1,10-4 Ta stała dla wody nazywana jest iloczynem jonowym wody, który zależy tylko od temperatury. Podczas dysocjacji wody na każdy jon H+ powstaje jeden jon OH–, dlatego w czystej wodzie stężenia tych jonów są takie same: [H+] = [OH–]. Korzystając z wartości produktu jonowego wody, znajdujemy: \u003d [OH -] \u003d mol / l. Są to stężenia jonów H+ i OH-…

1.2 GŁÓWNE KIERUNKI ROZWOJU TEORII ROZWIĄZAŃ

Fizyczna teoria rozwiązań. Rozwój poglądów na naturę rozwiązań od czasów starożytnych był związany z ogólnym tokiem rozwoju nauki i produkcji, a także z filozoficznymi wyobrażeniami o przyczynach chemicznego powinowactwa między różnymi substancjami. W XVII i I połowie XVIII wieku. W dziedzinie nauk przyrodniczych i filozofii upowszechniła się korpuskularna teoria rozwiązań. W tej teorii proces rozpuszczania był uważany za proces mechaniczny, gdy cząstki rozpuszczalnika wnikają w pory ciał i odrywają cząstki rozpuszczonej substancji, które zajmują pory rozpuszczalnika tworząc pojedynczy roztwór. Takie pomysły początkowo zadowalająco tłumaczyły fakt, że dany rozpuszczalnik może rozpuszczać nie wszystkie substancje, a tylko niektóre.

Na początku XIX wieku tworzone są przesłanki do rozwoju fizycznej teorii rozwiązań, która była uogólnieniem szeregu badań. Fizyczna teoria roztworów, która powstała głównie na podstawie prac J. Van't Hoffa, S. Arrheniusa i W. Ostwalda, została oparta na eksperymentalnym badaniu właściwości roztworów rozcieńczonych (ciśnienie osmotyczne, wzrost temperatura wrzenia, spadek temperatury zamarzania roztworu, spadek prężności pary nad roztworem) , w zależności głównie od stężenia substancji rozpuszczonej, a nie od jej charakteru. Osmoza to spontaniczna penetracja rozpuszczalnika do roztworu oddzielonego od niego półprzepuszczalną przegrodą, przez którą rozpuszczalnik może wejść, ale nie może przejść substancja rozpuszczona.

Roztwór i rozpuszczalnik oddzielone półprzepuszczalną przegrodą można uznać za dwie fazy. Równowaga rozpuszczalnika po obu stronach przegrody wyraża się przez równość jego potencjału chemicznego w roztworze (do którego przykłada się dodatkowe ciśnienie) i potencjału chemicznego czystego rozpuszczalnika.

Prawa ilościowe (van't Hoff, Raoult) zostały zinterpretowane w kontynuacji, że w rozcieńczonych roztworach cząsteczki substancji rozpuszczonej są podobne do cząsteczek gazu doskonałego. Odchylenia od tych praw, obserwowane dla roztworów elektrolitów, wyjaśniono na podstawie teorii dysocjacji elektrolitycznej S. Arrheniusa.

Analogia między silnie rozcieńczonymi roztworami a gazami wydała się wielu naukowcom tak przekonująca, że ​​zaczęli traktować proces rozpuszczania jako akt fizyczny. Z punktu widzenia tych naukowców rozpuszczalnik jest tylko ośrodkiem, do którego mogą dyfundować cząsteczki substancji rozpuszczonej. Prostota reprezentacji fizycznej teorii rozwiązań i jej skuteczne zastosowanie do wyjaśnienia wielu właściwości rozwiązań zapewniły szybki sukces tej teorii.

Chemiczna teoria roztworów. DI. Mendelejew i jego zwolennicy uważali proces tworzenia roztworu za rodzaj procesu chemicznego, który charakteryzuje się interakcją między cząstkami składników. DI. Mendelejew rozważał roztwory jako układy utworzone z cząstek rozpuszczalnika, substancji rozpuszczonej i niestabilnych związków chemicznych, które tworzą się między nimi i są w stanie częściowej dysocjacji. DI. Mendelejew zauważył, że procesy zachodzące w roztworze mają charakter dynamiczny i konieczność wykorzystania całej ilości informacji fizykochemicznych o właściwościach cząstek tworzących roztwór, podkreślił, że wszystkie składniki roztworu są równe i bez uwzględniania Uwzględniając właściwości i stany każdego z nich, niemożliwe jest podanie kompletnej charakterystyki systemów jako całości. Naukowiec przywiązywał dużą wagę do badania właściwości roztworów w funkcji temperatury, ciśnienia, stężenia; jako pierwszy wyraził ideę konieczności badania właściwości roztworów w mieszanych rozpuszczalnikach. Rozwijanie nauk D.I. Mendelejew, zwolennicy chemicznego spojrzenia na naturę roztworów, wskazywali, że cząstki rozpuszczonej substancji nie poruszają się w próżni, ale w przestrzeni zajmowanej przez cząstki rozpuszczalnika, z którymi oddziałują, tworząc złożone związki o różnych stabilność. Rozwój teorii D.I. Mendelejewa to wielościenna teoria tworzenia roztworów, zgodnie z którą elementarne grupy przestrzenne-wielościany powstają w cieczy z jednorodnych i niejednorodnych cząsteczek. Jednak teoria chemiczna nie może wyjaśnić mechanizmu powstawania idealnych roztworów, odchyleń właściwości rzeczywistych roztworów od właściwości idealnych rozwiązań.

Rozwój chemicznej teorii roztworów przebiegał w kilku kierunkach połączonych jedną ideą oddziaływania rozpuszczalnika z substancją rozpuszczoną. Badania te dotyczyły znajdowania określonych związków w roztworze na podstawie badania wykresów właściwości-składu, badania prężności par nad roztworami, rozkładu substancji między dwoma rozpuszczalnikami oraz badania termochemii roztworów. Prace nad oznaczaniem związków w roztworach wiązały się z dużymi trudnościami, gdyż niemożliwym było udowodnienie na drodze bezpośredniego eksperymentu istnienia związków złożonych (hydratów) w roztworach wodnych, gdyż znajdują się one w stanie dysocjacji, i próby ich wyizolowania z rozwiązania w nierozłożonej formie kończyły się niepowodzeniem. Badania termodynamiczne miały duże znaczenie dla potwierdzenia chemicznej teorii roztworów. Na wielu systemach wykazano, że podczas tworzenia roztworu obserwuje się chłodzenie lub ogrzewanie systemu, co tłumaczy się oddziaływaniem chemicznym między składnikami. Chemiczny charakter procesu rozpuszczania został potwierdzony zarówno badaniami prężności par nad roztworem, jak i badaniem rozkładu substancji między dwoma rozpuszczalnikami.

Na początku XX wieku Zgromadzono obszerny materiał doświadczalny pokazujący, że roztwory są układami złożonymi, w których obserwuje się zjawisko asocjacji, dysocjacji, tworzenia kompleksów, a w ich badaniu konieczne jest uwzględnienie wszystkich rodzajów oddziaływań między cząstkami obecnymi i powstałymi w roztworze.

Ze względu na dużą różnorodność rozwiązań do wyjaśnienia ich natury i właściwości wykorzystuje się zarówno fizykochemiczną, jak i chemiczną teorię roztworów.

Adsorpcja w chemii

Koncepcje współczesnych nauk przyrodniczych (składnik chemiczny)

Podstawowe prawa chemii i obliczenia stechiometryczne

Ilościowe (masowe lub objętościowe) badanie wielu reakcji i wyjaśnienie wyników eksperymentalnych prowadzi do praw stechiometrycznych. Główną wielkością fizyczną w chemii jest ilość substancji. Od 1 stycznia 1963...

Podstawowe fizykochemiczne prawidłowości otrzymywania folii z roztworów polimerów

Polimery w roztworach, zwłaszcza stężonych, tworzą struktury, których kształt i wielkość zależą zarówno od charakteru oddziaływania polimeru z rozpuszczalnikiem, jak i od warunków, w jakich znajduje się roztwór (temperatura...

Poszukiwanie optymalnej zawartości pigmentu w powłokach na bazie lakieru alkidowego PF-060

Prowadzone w dziale „Chemiczna technologia lakierów, farb i powłok” badania, których celem jest poszukiwanie nowych skutecznych niskotoksycznych pigmentów antykorozyjnych...

Produkcja biogazu

Odpowiednio wysoka zawartość metanu w biogazie, a co za tym idzie wysoka wartość opałowa, dają szerokie możliwości wykorzystania biogazu...

Otrzymywanie eteru dimetylowego przez odwodnienie metanolu na katalizatorach AlPO4 + SiO2

W przemyśle chemicznym wodór wykorzystywany jest głównie do syntezy metanolu i amoniaku. Pozostała część wodoru w tej branży jest wykorzystywana w innych gałęziach przemysłu chemicznego: na przykład...

Otrzymywanie eteru dimetylowego przez odwodnienie metanolu na katalizatorach AlPO4 + SiO2

Najbardziej wielkoskalowe procesy wykorzystania tlenku węgla to hydroformacja olefin, karbonylacja metanolu w celu wytworzenia kwasu octowego, synteza nienasyconych i rozgałęzionych kwasów karboksylowych...

Otrzymywanie eteru dimetylowego przez odwodnienie metanolu na katalizatorach AlPO4 + SiO2

Eter dimetylowy jest obecnie używany głównie jako przyjazny dla środowiska wypełniacz do puszek aerozolowych...

Rola Menedelejewa w rozwoju światowej nauki

DI. Mendelejew napisał, że były cztery tematy, które złożyły się na jego nazwisko: trzy odkrycia naukowe (prawo okresowości, chemiczna teoria roztworów i badanie sprężystości gazu), a także „Podstawy chemii” - podręcznik-monografia, która, być może jest równy ...

Teorie i termodynamika powstawania roztworów polimerów

Rozważając teorie, nacisk zostanie położony nie na obliczenia matematyczne, ale tylko na główne punkty: główne założenia i parametry, rodzaj kluczowych równań, zalety i wady teorii. Z całej tablicy...

Fizyczne i chemiczne podstawy procesu chromatograficznego

Zadaniem teorii chromatografii jest ustalenie praw ruchu i rozmycia stref chromatograficznych. Główne czynniki leżące u podstaw klasyfikacji teorii chromatografii ...

Charakterystyka procesu adsorpcji

Nie ma zunifikowanej teorii, która odpowiednio opisałaby wszystkie typy adsorpcji na różnych interfejsach faz; Rozważmy zatem niektóre z najbardziej rozpowszechnionych teorii adsorpcji...

Chemia związków kompleksowych pierwiastków podgrupy chromu

Tak jak rozwój chemii został opóźniony przez teorię flogistonu, a rozwój chemii organicznej przez pojęcie „siły życiowej”...

Temat 7. Rozwiązania. Systemy rozproszone

Wykłady 15-17 (6 godz.)

Cel wykładów: zbadać główne postanowienia teorii rozpuszczania solwatów (hydratów); ogólne własności roztworów (prawa Raoulta, van't Hoffa, ciśnienie osmotyczne, równanie Arrheniusa); rodzaje roztworów ciekłych, określić rozpuszczalność; rozważyć właściwości słabych elektrolitów (stała rozpuszczalności, prawo rozcieńczenia Ostwalda, iloczyn jonowy wody, pH ośrodka, iloczyn rozpuszczalności); właściwości mocnych elektrolitów (teoria Debye'a-Hückla, siła jonowa roztworu); podać klasyfikację systemów rozproszonych; rozważyć stabilność roztworów koloidalnych, koagulację, peptyzację, otrzymywanie układów koloidowych zdyspergowanych oraz właściwości układów koloidalnych zdyspergowanych (molekularno-kinetyczny, optyczny i elektrokinetyczny).

Badane zagadnienia:

7.1. Teoria rozpuszczania solwatu (hydratu).

7.2. Ogólne właściwości roztworów.

7.3. Rodzaje roztworów płynnych. Rozpuszczalność.

7.4. Właściwości słabych elektrolitów.

7.5. Właściwości mocnych elektrolitów.

7.6. Klasyfikacja układów rozproszonych.

7.7. Otrzymywanie układów zdyspergowanych koloidowo.

7.8. Stabilność roztworów koloidalnych. Koagulacja. Peptyzacja.

7.9. Właściwości układów koloidalno-dyspersyjnych.

Rozwiązania nazywane są układami jednorodnymi, składającymi się z dwóch lub więcej substancji, których skład może zmieniać się w dość szerokim zakresie dozwolonym przez rozpuszczalność. Każde rozwiązanie składa się z kilku składników: rozpuszczalnika ( ALE) i jedną lub więcej substancji rozpuszczonych ( W).

Składnik- jest to część jednorodnego pod względem chemicznym układu termodynamicznego, który można z niego wyizolować i który może istnieć w postaci swobodnej przez dowolnie długi czas.

Rozpuszczalnik to składnik, którego stężenie jest wyższe niż stężenie innych składników w roztworze. Zachowuje swój stan fazowy podczas tworzenia roztworów.

Każdy roztwór charakteryzuje się takimi właściwościami jak gęstość, temperatura wrzenia, temperatura zamarzania, lepkość, napięcie powierzchniowe, ciśnienie rozpuszczalnika nad roztworem, ciśnienie osmotyczne itp. Właściwości te zmieniają się płynnie wraz ze zmianami ciśnienia, temperatury, składu (stężenia). Stężenie roztworu wskazuje ilość substancji zawartej w określonej masie roztworu lub rozpuszczalnika lub w określonej objętości roztworu. W chemii stosuje się różne metody do wyrażania stężenia roztworów:

Udział masowy substancji rozpuszczonej (stężenie procentowe (w)) pokazuje liczbę gramów substancji rozpuszczonej ( m in) w 100 g roztworu ( poseł), wyrażone w %:

Stężenie molowe (C) pokazuje liczbę moli substancji rozpuszczonej (n) w 1 dm³ roztworu (V):

Wyrażone w mol / dm³, na przykład C (1 / 1H 2 SO 4) \u003d 0,1 mol / dm³.

Stężenie równoważnika molowego to liczba równoważników molowych substancji rozpuszczonej w 1 dm³ roztworu (V):

Wyrażony w mol/dm³. Na przykład C (1 / 2H 2 SO 4) \u003d 0,1 mol / dm³; C (1/5 KMnO 4) \u003d 0,02 mol / dm³.

Koncepcje równoważności, współczynnik równoważności (na przykład f równoważ. (HCl) \u003d 1/1; f równoważ. (H 2 SO 4) \u003d 1/2; f równoważ. (Na 2 CO 3) \u003d 1/2; f equiv (KMnO 4) = 1/5) i równoważnik masy molowej (na przykład dla węglanu sodu: M(1/2 Na 2 CO 3) = f equiv M(Na 2 CO 3) = 1/2 M( Na 2 CO 3)) zostały uwzględnione we wstępie (ust. 2).

Molalność (Cm) pokazuje liczbę moli (n) substancji rozpuszczonej w 1000 g rozpuszczalnika (mp-la):

Wyrażone w mol/kg rozpuszczalnika, na przykład Cm (NaCl) = 0,05 mol/kg.

Ułamek molowy to stosunek liczby moli substancji do sumy liczby moli w roztworze:

gdzie NA i NB oznaczają odpowiednio ułamek molowy rozpuszczalnika i substancji rozpuszczonej. Ułamek molowy pomnożony przez 100% to procent molowy, więc

N A + N B = 1. (7.6)

W pracy praktycznej ważna jest umiejętność szybkiego przechodzenia z jednej jednostki koncentracji do drugiej, dlatego należy pamiętać, że

m r-ra = V r-ra ρ, (7,7)

gdzie m r-ra jest masą roztworu, g; V p-ra - objętość roztworu, cm 3; ρ to gęstość roztworu, g/cm3.

Proces rozpuszczania jest złożonym procesem fizykochemicznym, w którym najwyraźniej przejawia się oddziaływanie między cząstkami (cząsteczkami lub jonami) o różnym charakterze chemicznym.

Na procesy rozpuszczania wielu substancji w różnych stanach skupienia duży wpływ ma polarność cząsteczek rozpuszczalnika i substancji rozpuszczonej. Należy zauważyć, że podobne rozpuszcza się. Rozpuszczalniki polarne (woda, gliceryna) rozpuszczają cząsteczki polarne (KCl, NH 4 Cl itp.); rozpuszczalniki niepolarne (toluen, benzyna itp.) rozpuszczają cząsteczki niepolarne (węglowodory, tłuszcze itp.).

Nowoczesna teoria rozpuszczania w oparciu o fizyczną teorię Van't Hoffa i S. Arrheniusa oraz chemiczną teorię DI Mendelejewa. Zgodnie z tą teorią proces rozpuszczania składa się z trzech etapów:

1) mechaniczne zniszczenie wiązań między cząsteczkami rozpuszczonej substancji, na przykład zniszczenie sieci krystalicznej soli (jest to zjawisko fizyczne);

2) edukacja solwaty (hydraty), tj. niestabilne związki cząstek substancji rozpuszczonej z cząsteczkami rozpuszczalnika (jest to zjawisko chemiczne);

3) spontaniczny proces dyfuzji solwatowanych (uwodnionych) jonów w całej objętości rozpuszczalnika (jest to proces fizyczny). W roztworze każda naładowana cząstka (jon lub cząsteczka polarna) jest otoczona przez powłoka solwatacyjna , który składa się z odpowiednio zorientowanych cząsteczek rozpuszczalnika. Jeśli rozpuszczalnikiem jest woda, to termin powłoka nawilżająca , a samo zjawisko nazywa się uwodnienie .

Procesowi tworzenia roztworów towarzyszy efekt termiczny, który może być zarówno endotermiczny, jak i egzotermiczny. Pierwszy etap rozpuszczania zachodzi zawsze z pochłanianiem ciepła, a drugi może mieć miejsce zarówno z pochłanianiem, jak i uwalnianiem ciepła. Dlatego całkowity efekt cieplny rozpuszczania zależy od efektu cieplnego tworzenia solwatów (hydratów). Połączenie cząsteczek lub jonów substancji rozpuszczonej z cząsteczkami rozpuszczalnika odbywa się głównie dzięki wiązaniu wodorowemu lub elektrostatycznemu oddziaływaniu polarnych cząsteczek substancji. Skład solwatów (hydratów) zmienia się w zależności od temperatury i stężenia substancji rozpuszczonej. Wraz z ich wzrostem zmniejsza się liczba cząsteczek rozpuszczalnika zawartych w solwacie (hydracie). Tak więc roztwory zajmują pozycję pośrednią między mieszaninami mechanicznymi a związkami chemicznymi.

Teoria rozwiązań nie umożliwia jeszcze w żadnym wypadku przewidywania właściwości rozwiązań na podstawie właściwości ich składników. Tłumaczy się to niezwykle dużą różnorodnością i złożonością oddziaływań między cząsteczkami rozpuszczalnika a cząsteczkami substancji rozpuszczonej. Struktura rozwiązań z reguły jest znacznie bardziej skomplikowana niż budowa jej poszczególnych elementów.

Zgodnie ze stanem skupienia wszystkie roztwory dzielą się na trzy grupy: roztwory gazów w gazach lub mieszaninach gazów; płynne roztwory; roztwory stałe (stopy metali). W dalszej części rozważane będą tylko roztwory płynne.

Pod koniec XIX wieku roztwory uznano za jednostki fizyczne, w których nie było interakcji między rozpuszczalnikiem a substancją rozpuszczoną. Powstawanie roztworu wyjaśniono dyspersją cząstek substancji rozpuszczonej w obojętnym środowisku rozpuszczalnika. Twórcami tych poglądów byli tak znani naukowcy jak J. van't Hoff, S. Arrenius i W. Ostwald. W 1887 r. Wielki rosyjski chemik D. I. Mendelejew, opierając się na licznych danych eksperymentalnych, stworzył chemiczną (hydrat) teorię roztworów. Podstawą tej teorii była idea chemicznej natury rozpuszczania. W roztworze między substancją rozpuszczoną a rozpuszczalnikiem tworzą się związki, które zmieniają swój skład wraz ze zmianami temperatury i stężenia. Związki te zostały nazwane przez DI Mendelejewa hydratami lub solwatami. Powstałe hydraty mają różną moc. Większość z nich jest niestabilna i istnieje tylko w rozwiązaniach. Jednak niektóre hydraty są tak silnymi związkami, że po uwolnieniu substancji rozpuszczonej z roztworu woda wchodzi do rosnącego kryształu w postaci związanej chemicznie. Takie kryształy nazwano krystalicznymi hydratami, a wodę zawartą w ich składzie nazwano wodą krystalizacyjną. Przykładami hydratów krystalicznych są CuSO4 · 5H20; Na2SO4 YuN20 itp. Siła powstałych związków zależy od sił działających między rozpuszczalnikiem a substancją rozpuszczoną. Natura tych sił jest już znana. Solwaty (hydraty) powstają w wyniku oddziaływań jon-dipol, dipol-dipol, donor-akceptor, wiązań wodorowych oraz oddziaływań dyspersyjnych. Mendelejew nie negował roli czynnika fizycznego w tworzeniu rozwiązań. Napisał: „Dwa wskazane aspekty rozpuszczania (fizyczny i chemiczny) oraz dotychczasowe hipotezy stosowane do rozważania rozwiązań, choć mają częściowo różne punkty wyjścia, doprowadzą w końcu do ogólnej teorii rozwiązań, ponieważ rządzą te same ogólne prawa. zarówno zjawiska fizyczne, jak i chemiczne. Poglądy D. I. Mendelejewa zostały w pełni potwierdzone. Obecnie proces rozpuszczania uważany jest za proces fizykochemiczny, a roztwory za układy fizykochemiczne. Chemiczna teoria roztworów D. I. Mendelejewa umożliwiła wyjaśnienie obecności efektów termicznych zachodzących podczas procesów rozpuszczania substancji. Efekt termiczny procesu rozpuszczania (DNsolv) można przedstawić jako sumę ciepła wymaganego do zniszczenia sieci krystalicznej substancji (DNre1:1) i ciepła uwolnionego w procesie solwatacji (DNsolvate), tj. e. AHp^ jest znaczącą wielkością endotermiczną, a DNS0LV jest wielkością egzotermiczną bliską jej wartości. Na tej podstawie ostateczny znak efektu cieplnego procesu rozpuszczania zostanie określony przez udział każdego z tych parametrów. Po rozpuszczeniu jest endotermiczny. Można to zaobserwować na przykład, gdy azotany potasu i amonu, chlorek potasu itp. są rozpuszczane w wodzie, gdy proces rozpuszczania jest egzotermiczny. Przykładem tego jest rozpuszczanie w wodzie chlorków wapnia i magnezu, wodorotlenków sodu i potasu itp. Tak więc znak efektu termicznego zależy od natury substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika, głębokości ich wzajemnego oddziaływania . Obecność interakcji chemicznych między składnikami wyjaśnia również efekty objętościowe podczas rozpuszczania. Tak więc, gdy 1 litr alkoholu etylowego rozpuszcza się w 1 litrze wody, objętość powstałego roztworu wynosi nie 2 litry, ale 1,93 litra. W tym przypadku spadek objętości wynika głównie z tworzenia wiązań wodorowych między grupami hydroksylowymi wody i alkoholu.