Растворы, растворение. Химические растворы Что такое раствор в химии определение

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цели урока.

1. Формирование представлений о растворении как физико-химическом процессе, растворах как физико-химических системах и их классификации.
2. Формирование понятий раствор, растворение, диссоциация, гидратация.

Оборудование и реактивы: сахар, хлорид натрия, сульфат меди (II), пересыщенный раствор ацетата натрия, борная кислота, этанол, керосин, охлажденная дистиллированная вода, термометр, химические стаканы – 6 шт., ступка с пестиком, пробирки – 2 шт., спиртовка, стеклянные палочки – 8 шт.

Ход урока

1. Учитель дает представление о многообразии растворов в окружающем мире, о существовании растворов с разным агрегатным состоянием и их отличительных признаках. Делается акцент на водных растворах как наиболее часто используемых в деятельности человека. На конкретных примерах рассматриваются существенные признаки растворов.

2. На основе демонстрационных экспериментов выявляются процессы, протекающие при растворении, делаются первые попытки определения процесса растворения.

Эксперимент 1

В 2 стакана наливаем по 50 мл воды. В первый стакан опустим несколько крупных кристаллов сульфата меди (II), в другой – такое же количество перетертого в ступке сульфата меди (II).

В стакане с перетертым сульфатом меди голубое окрашивание появляется быстрее, а мелкие кристаллы исчезают. В другом стакане процесс растворения протекает медленнее. Измельченные вещества растворяются быстрее.

Делается вывод о необходимости измельчения и перемешивания компонентов раствора.

На основе видеофрагмента и схемы рассматривается сущность процессов диссоциации и гидратации растворенного вещества.

3. Выводятся основные определения понятий темы.

Растворение – это физико-химический процесс, включающий в себя разрушение кристаллической решетки вещества (диссоциацию) и взаимодействие образовавшихся частиц с молекулами растворителя (сольватацию).

Растворы – это однородная устойчивая система, состоящая из частиц растворенноговещества, растворителя и продуктов их взаимодействия.

На основе определения проверятся усвоение учащимися различия растворов и неоднородных смесей, растворения и других физических и химических процессов.

Закрепляются и фиксируются основные понятия темы.

Растворение - физико-химический процесс, включающий в себя разрушение кристаллической решетки вещества и взаимодействие образовавшихся частиц с молекулами растворителя.

Диссоциация - распад вещества на составные части.

Гидратация – химическое взаимодействие вещества с водой.

Раствор - однородная устойчивая система, состоящая из частиц растворенного вещества, растворителя и продуктов их взаимодействия.

4. Классификация растворов по количеству растворенного вещества. Определение зависимости растворимости от температуры.

Эксперимент 2

В 4 стакана нальем по 50 мл воды, охлажденной до 15 градусов Цельсия. Поместим по 5 г сахара, соли (хлорида натрия), сульфата меди (II) и борной кислоты в стаканы и тщательно перемешаем.

Борная кислота лишь частично растворилась.

Добавляем следующие 5 г сульфата меди (II), соли и сахара.

Нерастворившиеся кристаллы сульфата меди (II) оседают на дно стакана.

В оставшиеся стаканы добавим еще 10г соли и сахара, перемешаем растворы.

Соль полностью не растворилась, а сахар по прежнему полностью растворился в воде.

Нагреем получившиеся растворы.

При нагревании осадки полностью растворились.

Добавим еще немного веществ в соответствующие растворы.

Добавленные вещества продолжают растворяться.

Делается вывод о существовании насыщенных и ненасыщенных растворов и их признаках.

Эксперимент 3

“Мгновенная” кристаллизация пересыщенного раствора ацетата натрия.

Вывод о существовании неустойчивых пересыщенных растворов и их отличительных особенностях.

1. Разбор опорного конспекта и фиксация его учащимися.
2. Домашнее задание: карточки с задачами о растворах, §24, вопр. 1-4.

Леккия №17

РАСТВОРЫ

Общая характеристика растворов.

Способы выражения концентрации растворов.

Термодинамика и механизм процесса растворения.

Растворимость.

Вода как растворитель. Значение растворов в жизнедеятельности организмов

1. Общая характеристика растворов.

Растворы – это гомогенные системы переменного состава, включающие два и более компонентов. Частицы компонентов раствора распределены по его объему в виде атомов, молекул или ионов (размер частиц 0,1 – 0,5 нм).

Образование растворов, в отличие от механических смесей, сопровождается изменением энтальпии, энтропии и объема системы.

По агрегатному состоянию различают газовые, жидкие и твердые растворы. Но обычно термин растворы относится к жидким системам.

2. Способы выражения концентрации растворов.

Относительное содержание компонентов в растворе определяется его концентрацией.

Молярная концентрация – это количество вещества, содержащееся в одном литре раствора (моль/л):

Э
квивалентная концентрация – это число молей эквивалентов вещества, содержащихся в одном литре раствора (моль/л):

Эквивалент – это реальная или условная частица вещества, которая в кислотно-основной реакции эквивалентна одному иону водорода, а в окислительно-восстановительной эквивалентна одному электрону.

Масса одного моля эквивалентов называется молярной массой эквивалента вещества (Э). В разных реакциях одно и то же вещество может иметь разные эквиваленты.

Моляльная концентрация – это количество вещества, содержащееся в одном килограмме растворителя (моль/кг):

М
ассовая доля равна отношению массы растворенного вещества к массе раствора:

М
олярная доля равна отношению количества растворенного вещества в общему количеству веществ в растворе:

К
ак правило, вещество обладает определенной растворимостью в данном растворителе. Подрастворимостью понимают концентрацию вещества в насыщенном растворе.

3. Термодинамика и механизм процесса растворения

Растворение – сложный физико-химический процесс, включающий три основные стадии, каждая из которых характеризуется изменениями термодинамических функций Н иS:

разрушение химических и межмолекулярных связей в растворяемом веществе (например, разрушение кристаллической решетки): Н 1 >0,S 1 >0

химическое взаимодействие частиц растворенного вещества с растворителем (сольватация): Н 2 <0,S 2 <0

равномерное распределение частиц растворенного вещества в среде растворителя путем диффузии: Н 3 >0,S 3 >0

Согласно 2-му закону термодинамики условием самопроизвольности процесса растворения является убыль энергии Гиббса:

G=H-TS< 0,

которая складывается из энтальпийного Н и энтропийногоTSфакторов.

Растворение газов в жидкостях приводит к упорядочению системы и, следовательно, сопровождается уменьшением энтропии: S р-ния <0. Движущей силой процесса растворения в этом случае является энтальпийный фактор и растворение большинства газов является процессом экзотермическим:Н р-ния <0. Таким образом, самопроизвольное растворение газов возможно при низких температурах (|Н| > |TS|)

Растворение жидких и твердых веществ в жидкостях приводит к увеличению беспорядка в системе и увеличению энтропии: S р-ния >0. Суммарный тепловой эффект процесса растворения определяется в основном слагаемымиН 1 иН 2 и в зависимости от их соотношения может и быть и положительным (NaCl), и отрицательным (NaOH). Растворение большинства кристаллических веществ – процесс эндотермическийН р-ния >0, так как энергия, затрачиваемая на разрушение кристаллической решетки не компенсируется энергией, выделяемой за счет сольватации. Таким образом, самопроизвольному растворению большинства твердых веществ способствуют высокие тепмературы (|Н| < |TS|).

Растворы, образование которых не сопровождается изменениями объема системы и тепловыми эффектами (V=0,Н=0), называютидеальными . Движущей силой образования идеального раствора является увеличение энтропии системы. Идеальный раствор – понятие абстрактное. Реальные системы могут лишь приближаться к идеальным. Наиболее близки к модели идеального раствора системы, в которых компоненты близки по свойствам и практически не взаимодействуют друг с другом (например, раствор толуола в бензоле). Приближаются по свойствам к идеальным бесконечно разбавленные растворы, в которых взаимодействиях сводятся к минимуму за счет низкой концентрации растворенного вещества.

4. Растворимость

Под растворимостью понимают концентрацию растворенного вещества в насыщенном растворе.

Растворимость выражают в тех же единицах, что и концентрацию. Часто используют коэффициент растворимости s, равный массе растворенного вещества (г) в насыщенном растворе, содержащем 100 г растворителя.

Насыщенным называют раствор, который находится в равновесии с избытком растворяемого вещества (G р-ния =0). Насыщенный раствор имеет максимально возможную в данных условиях концентрацию.

Растворимость зависит:

от природы растворенного вещества и растворителя;

от температуры;

от давления;

от присутствия третьих компонентов.

Влияние природы компонентов на растворимость определяется принципом:подобное растворяется в подобном . Полярные растворители, например, вода, хорошо растворяют вещества с ионной связью (неорганические соли, кислоты и основания). Хорошей растворимостью в воде обладают полярные органические соединения, образующие с молекулами растворителя водородные связи (спирты, карбоновые кислоты, амины). Неполярные растворители, например, углеводороды, растворяют неполярные и малополярные соединения (жиры).

Влияние температуры на растворимость зависит от теплового эффекта растворения и определяется принципом Ле Шателье. Повышению растворимости газов способствует понижение температуры, так как растворение газов – процесс экзотермический. Растворимость большинства твердых веществ и жидкостей - процесс эндотермический и возрастает при повышении температуры.

Влияние давления существенно только в том случае, если при растворении происходит значительное изменение объема системы, что наблюдается при растворении газов в жидкостях. Растворимость газов растет с увеличением давления, так как сопровождается уменьшением объема системы.

Закон Генри:

Количество газа, растворенного в определенном объеме жидкости при постоянной температуре прямо пропорционально давлению газа.

c (X ) = K г  p (X )

где c(X) – молярная концентрация газа,моль/л

K г - константа Генри, моль/лПа

p(X) – давление газа над раствором, Па

Влияние присутствия третьих компонентов.

Растворимость газов в жидкостях значительно снижается в присутствии электролитов (солей) Этот процесс называют высаливанием .

Закон Сеченова:

Растворимость газов в жидкостях в присутствии электролитов понижается.

С(X) = С 0 (X)

где С(X) – растворимость газа в присутствии электролита

С 0 (X) – растворимость газа в чистом растворителе

К С - константа Сеченова

С э - концентрация электролита

Биологическое значение законов Генри и Сеченова.

Изменение растворимости газов в крови при изменении давления может привести к тяжелым заболеванием. Кесонная болезнь у водолазов – проявление закона Генри. В соответствии с законом Сеченова растворимость кислорода и углекислого газа в крови зависит от концентрации электролитов, а также белков, липидов и других веществ.

5. Вода как растворитель. Значение растворов в жизнедеятельности организмов

Самым распространенным растворителем на нашей планете является вода. У животных и растительных организмов содержание воды составляет обычно более 50%, а в ряде случаев достигает 90-95%.

Вода хорошо растворяет многие ионные и полярные соединения. Такое свойство воды связано с ее высокой диэлектрической проницаемостью (= 78,5). В результате многие ионные соединения диссоциируют и отличаются высокой растворимостью в воде. Другой класс веществ, хорошо растворимых в воде, составляют полярные органические соединения (спирты, альдегиды, кетоны). Их растворимость обусловлена образованием водородных связей с молекулами воды.

Важны и другие аномальные свойства воды: высокое поверхностное натяжение, низкая вязкость, высокие температуры плавления и кипения, более высокая плотность в жидком состоянии, чем в твердом.

Вследствие высокой полярности вода вызывает гидролиз веществ (эфиров, амидов и др.). Так как вода составляет основную часть внутренней среды организма, то она обеспечивает процессы всасывания, передвижения питательных веществ и продуктов обмена в организме.

Важнейшие биологические жидкости – кровь, лимфа, моча, слюна, пот являются растворами солей, белков, углеводов, липидов в воде. Биохимические процессы в живых организмах протекает в водных растворах.

В жидких средах организма поддерживается постоянство рН, концентрации солей и органических веществ, постоянство осмотического давления. Такое постоянство называется гомеостазом. Приведенные примеры показывают, что учение о растворах представляет особый интерес для медиков.

В повседневной жизни человек постоянно сталкивается с различными растворами - напитками, лекарственными микстурами, бытовой химией и проч. Казалось бы, нет ничего проще, чем приготовить какой-нибудь коктейль (типичный раствор), а, между тем, сама природа процесса растворения одного вещества в другом достаточно сложна.

Современная наука утверждает, что растворение является физико-химическим процессом.

Одним из главных физических процессов, происходящим во время растворения, является диффузия (проникновение) растворяемого вещества в растворителе. Диффузия обусловлена хаотическим тепловым движением молекул (атомов, ионов) - сначала образуется пограничный диффузионный слой между двумя растворяемыми веществами, в пределах которого идет интенсивное перемешивание частиц различных веществ друг с другом, вызываемое разностью в плотности растворителя и растворяемого вещества.

Процесс растворения может сопровождаться выделением (поглощением) тепла, изменением цвета раствора и прочими химическими превращениями, что дает основание говорить о наличии химических процессов, сопровождающих растворение.

Растворение сопровождается формированием химических связей (сольватацией ) между растворителем и растворяемым веществом (если в качестве растворителя выступает вода - гидратацией ), при этом, продукты взаимодействия растворяемого вещества с растворителем называют сольватами (если в качестве растворителя выступает вода - гидратами).

Сольваты (гидраты) являются малоустойчивыми веществами. Гидраты, существующие в кристаллическом состоянии, называются кристаллогидратами (медный купорос, железный купорос).

Классификация растворов:

• Жидкие растворы (сладкий чай).
• Твердые растворы (сплавы).
• Газообразные растворы (воздух).

Конечно же, самыми распространёнными являются жидкие растворы. Обычно, говоря о растворах, подразумеваются жидкие растворы.

Любой жидкий раствор состоит из растворителя (жидкая среда, в которой происходит процесс растворения) и растворенных веществ , которые растворяются в жидкости.

Классификация жидких растворов:

• жидкость + газ;
• жидкость + жидкость;
• жидкость + твердое вещество.

Жидкие растворы подразделяются на две большие категории - водные растворы (растворителем является вода) и неводные растворы (растворителем является жидкость, но не вода).

Что такое растворимость

Растворимостью называют способность вещества образовывать растворы - одни вещества могут растворяться друг в друге неограниченно; другие - только в ограниченных количествах или же практически не растворяться вообще.

Растворимость конкретного вещества зависит от его природы и природы растворителя, а также условий, при которых происходит процесс растворения: температура, давление, наличие третьих веществ.

Старинное правило гласит: "подобное растворяется в подобном", т. е., неполярные вещества хорошо растворяются в неполярных растворителях (бензол в гексане), а полярные - в полярных (этиловый спирт в воде), и наоборот - неполярные вещества в полярных растворителях растворяются плохо (бензол в воде).

Насыщенным раствором называется раствор, в котором при данной температуре определенное вещество не растворяется (говорят, что растворяемое вещество находится в состоянии равновесия с раствором).

Соответственно, аналогичный раствор с кол-вом растворяемого вещества меньшим, чем в насыщенном растворе, называют ненасыщенным.

Таким образом, численно растворимость можно выразить, как концентрацию вещества в его насыщенном растворе.

Растворимость конкретного вещества выражается через коэффициент растворимости (масса растворенного вещества, которая насыщает 100 г растворителя при определенных условиях).

Все вещества по их растворимости в воде можно разделить на 3 группы:

• растворимые в воде вещества - растворимость более 1 г на 100 мл воды;
• малорастворимые вещества - 0,1..1 г на 100 мл;
• нерастворимые вещества - менее 0,1 г на 100 мл.

Растворимость твердых веществ сильно зависит от температуры (обычно, чем выше температура, тем лучше их растворимость).

Растворимость газов в воде увеличивается с повышением давления (кто откупоривал бутылку шампанского, тот это хорошо знает). Также об этом хорошо знают водолазы, которые вынуждены после длительного пребывания на большой глубине (под высоким давлением) постепенно в течение часов подниматься на поверхность (либо проходить адаптацию в барокамере), в противном случае, при быстром подъеме водолаза с большой глубины развивается кессонная болезнь, когда азот, в больших количествах растворенный в плазме крови человека, начинает выделяться в виде пузырьков (кровь закипает), закупоривая мелкие сосуды и капилляры, угрожая жизни водолаза.

Растворы – однородная многокомпонентная система, состоящая из растворителя, растворенных веществ и продуктов их взаимодействия. Растворы могут быть жидкими (морская вода), газообразными (воздух) и твердыми (сплавы металлов)

Растворимостью называется способность вещества растворяться в том или ином растворителе. Мерой растворимости вещества при данных условиях служит содержание его в насыщенном растворе . Поэтому численно растворимость может быть выражена теми же способами, что и состав, например, процентным отношением массы растворенного вещества к массе насыщенного раствора или количеством растворенного вещества, содержащимся в 1 литре насыщенного раствора. Часто растворимость выражают также числом единиц массы безводного вещества, насыщающего при данных условиях 100 единиц массы растворителя; иногда выраженную этим способом растворимость называют коэффициентом растворимости .

Вещества, состоящие из полярных молекул, и вещества с ионным типом связи лучше растворяются в полярных растворителях (вода, спирты, жидкий аммиак), а неполярные – в неполярных растворителях (бензол, сероуглерод).

Процесс растворимости избирательный и зависит от природы веществ и термодинамических условий (давления, температуры).

Насыщенным называется раствор, находящийся в равновесии с растворимым веществом в виде отдельной фазы.

Константой растворимости называется количество гр вещества, образующее насыщенный раствор в 100 гр растворителя при данных условиях.

По растворимости вещества разделяют на:

Хорошо растворимые (в 100 гр растворителя содержится больше 1 гр вещества)

Малорастворимые (в 100 гр растворителя содержится больше 1∙10 −3 гр)

Практически нерастворимые (в 100 гр растворителя содержится меньше 10 −3 гр)

Абсолютно нерастворимых веществ нет.

При растворении веществ всегда происходит выделение или поглощение тепла. Количество теплоты, выделяющейся или поглощающейся при растворении 1 моль вещества называется теплотой растворения.

РАСТВОРЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ:

Растворение большинства твердых тел сопровождается поглощением теплоты. Это объясняется затратой количества энергии на разрушение кристаллической решетки твердого тела, что обычно не полностью компенсируется энергией, выделяющейся при образовании гидратов (сольватов). Прилагая принцип Ле Шателье к равновесию между веществом в кристаллическом состоянии и его насыщенным раствором

приходим к выводу, что в тех случаях, когда вещество растворяется с поглощением энергии, повышение температуры должно приводить к увеличению его растворимости. Если же, энергия гидратации (сольватации) достаточно велика, чтобы образование раствора сопровождалось выделением энергии, растворимость с ростом температуры понижается. Это происходит, например, при растворении в воде щелочей, многих солей лития, магния, алюминия.

При растворении твердых тел в воде объем системы обычно изменяется незначительно. Поэтому растворимость веществ, находящихся в твердом состоянии, практически не зависит от давления.

РАСТВОРЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ:

Жидкости также могут растворяться в жидкостях. Некоторые из них неограниченно растворимы одна в другой, т.е. смешиваются друг с другом в любых пропорциях, как, например, спирт и вода, другие – взаимно растворяются лишь до известного предела.

Температура, при которой ограниченная взаимная растворимость жидкостей переходит в неограниченную, называется критической температурой растворения .

Как и в случае растворения твердых тел, взаимное растворение жидкостей обычно не сопровождается значительным изменением объема. Поэтому взаимная растворимость жидкостей мало зависит от давления и заметно возрастает лишь при очень высоких давлениях (порядка тысяч атмосфер).

Если в систему, состоящую из двух несмешивающихся жидкостей, ввести третье вещество, способное растворяться в каждой из этих жидкостей, то растворенное вещество будет распределяться между обеими жидкостями пропорционально своей растворимости в каждой из них.

Закон распределения: «Вещество, способное растворяться в двух несмешивающихся растворителях, распределяется между ними так, что отношение его концентраций в этих растворителях при постоянной температуре остается постоянным, независимо от общего количества растворенного вещества»:

Здесь C 1 и C 2 – концентрации растворенного вещества в первом и втором растворителях; K – коэффициент распределения.

РАСТВОРЕНИЕ ГАЗОВ :

При увеличении давления, растворимость газа в жидкости увеличивается. По правилу Генри масса растворенного газа прямо пропорциональна давлению.

Постоянная Генри зависит от температуры, природы газа и растворителя. Объем растворенного газа не зависит от давления.

При повышении температуры растворимость газа в жидкости понижается.

Растворение является сложным Физико-химическим процессом. Если растворителем является вода, то процесс растворения называется гидратацией и образуются кристаллогидраты.

Процесс растворения происходит в три стадии:

1) Разрушается связь между молекулами и атомами растворенного вещества и растворителя. Затрачивается энергия – Q

2) Происходит сольватация, процесс которой сопровождается выделением тепла + Q

3) Диффузия (Сольватирующие частицы равномерно распределяются по всему объему). Происходит поглощение тепла – Q.

Химические растворы находят применение в самых разных отраслях промышленности. Самые распространенные растворы, используемые в химическом производстве, это растворы кислот и щелочей. Рассмотрим же основные из них.

Бисульфит натрия NaHSO 3

Данный вид раствора имеет светло-желтый окрас. В ряде случаев может становиться коричневого оттенка. Зачастую для транспортировки и хранения бисульфита натрия используются бутылки из стекла или железнодорожные цистерны. Но в случае покупки такого вещества возможен его разлив по канистрам, бочкам и иным емкостям аналогичного типа. Период годности раствора равен 90 дням с даты изготовления.

Гидроокись калия KOH

Гидроокись калия — это кристаллы, не имеющие цвета, используемые во время производства жидкого мыла и получения различных калиевых соединений. Кроме этого, активного применения приобрело вещество при изготовлении метана и в роли электролитов в структуре батареек. Вещество такого рода способствует очищению нержавеющей стали от жирных пятен и прочего род загрязнений.

Раствор хлористого кальция CaCl 2

Хлористый кальций — это соль соляной кислоты. Ему свойственно замерзать при холодной погоде (в соотношении: 20% при -18, 30% при -48 градусах по Цельсию). Раствор хлористого кальция широко применяется на газораспределительных станциях, в строительной сфере (обеспечивает быстрое схватывание цемента), с целью противодействия гололеду, в таких отраслях промышленности как пищевая и медицинская. Для хранения и перемещения используются канистры и кубы.

Раствор едкого натрия NaOH

Раствор едкого натрия широко используется в качестве реагента во время проведения различных химических реакций. Является сильной щелочью, по этой причине довольно часто он применяется с целью нейтрализации едкой кислоты. Кроме того, в качестве составляющей входит в содержание средств для отбеливания, ДВП, бумаги, парфюмерных и косметических продуктов.

Раствор серной кислоты H 2 SO 4

Серная кислота входит в класс двухосновных сильнодействующих кислот. Имеет вид густообразной бесцветной жидкости, не имеющей запаха. В промышленной сфере зачастую применяются такие растворы на основе дистиллированной воды. Уровень концентрации самой кислоты зависит от области использования раствора. Зачастую вещество применяют при выполнении химического синтеза, для очищения сырой нефти, во время производства удобрений и средств бытовой химии.

Раствор соляной кислоты HCl

Соляная кислота представлена химическим веществом в виде бесцветной жидкости, которой присущ резкий запах. Данный вид элемента выступает в качестве очень сильного растворителя. Приобрела широкое распространение в таких областях: химическая промышленность, гальванопластика, медицины, выпуск бумажных и картонных изделий. Хранение и транспортировка вещества осуществляется в обычных канистрах или кубах.

Сульфаминовая кислота NH 2 SO 3 H

Сульфаминовая кислота представлена в виде растворимого в воде кристаллического вещества, имеющего белый либо серый оттенок. Раствор такой кислоты используется с целью очищения промышленных устройств, для придания материалам из текстиля огнезащитных характеристик. Срок годности такого вещества составляет один год.