Kemija definicije otapala. Rješenja. Termodinamika i mehanizam procesa otapanja

Rješenja, kao i proces njihovog nastanka, od velike su važnosti u svijetu koji nas okružuje. Voda i zrak dva su njihova predstavnika bez kojih je život na Zemlji nemoguć. Većina bioloških tekućina u biljkama i životinjama također su otopine. Proces probave hrane neraskidivo je povezan s otapanjem hranjivih tvari.

Svaka proizvodnja podrazumijeva korištenje jednog ili drugog.Koriste se u tekstilnoj, prehrambenoj, farmaceutskoj industriji, obradi metala, rudarstvu, proizvodnji plastike i vlakana. Zato je važno razumjeti što su, znati njihova svojstva i karakteristične značajke.

Znakovi pravih rješenja

Otopine se shvaćaju kao višekomponentni homogeni sustavi nastali raspodjelom jedne komponente u drugoj. Obično se nazivaju i disperzni sustavi, koji se ovisno o veličini čestica koje ih tvore dijele na koloidne sustave, suspenzije i prave otopine.

U potonjem su komponente u stanju razdvajanja na molekule, atome ili ione. Takve molekularne disperzne sustave karakteriziraju sljedeće značajke:

• afinitet (interakcija);
• spontana formacija;
• postojanost koncentracije;
• homogenost;
• održivost.

Drugim riječima, mogu nastati ako postoji međudjelovanje između komponenti, što dovodi do spontane diobe tvari u male čestice bez vanjskih sila. Dobivena rješenja moraju biti jednofazna, odnosno ne smije postojati sučelje između komponenti. Posljednja značajka je najvažnija, budući da se proces otapanja može dogoditi spontano samo ako je energetski koristan za sustav. U tom slučaju slobodna energija se smanjuje i sustav postaje ravnotežan. Uzimajući u obzir sve ove značajke, može se formulirati sljedeća definicija:

Prava otopina je stabilan ravnotežni sustav međudjelovanja čestica dviju ili više tvari, čije dimenzije ne prelaze 10 -7 cm, odnosno razmjerne su s atomima, molekulama i ionima.

Jedna od tvari je otapalo (obično komponenta čija je koncentracija veća), a ostale su otopljene tvari. Ako su polazne tvari bile u različitim agregatnim stanjima, tada se kao otapalo uzima ono koje ga nije promijenilo.

Vrste pravih rješenja

Po agregatno stanje otopine su tekuće, plinovite i čvrste. Najčešći su tekući sustavi, a također se dijele na nekoliko vrsta ovisno o početnom stanju otopljene tvari:

• čvrsto u tekućini, kao što je šećer ili sol u vodi;
• tekućina u tekućini, na primjer, sumporna ili klorovodična kiselina u vodi;
• plinovito u tekućini, na primjer, kisik ili ugljikov dioksid u vodi.

Međutim, ne može samo voda biti otapalo. I po prirodi otapala sve tekuće otopine dijelimo na vodene, ako su tvari otopljene u vodi, i nevodene, ako su tvari otopljene u eteru, etanolu, benzenu itd.

Po električnoj vodljivosti otopine se dijele na elektrolite i neelektrolite. Elektroliti su spojevi s pretežno ionskim kristalnim vezama koji, kada se disociraju u otopini, tvore ione. Kada se otope, neelektroliti se razgrađuju na atome ili molekule.

U pravim otopinama istodobno se odvijaju dva suprotna procesa - otapanje tvari i njezina kristalizacija. Ovisno iz ravnotežnog položaja U sustavu "otopljena tvar - otopina" razlikuju se sljedeće vrste otopina:

• zasićeno, kada je brzina otapanja određene tvari jednaka brzini njezine kristalizacije, odnosno otopina je u ravnoteži s;
• nezasićene ako sadrže manje otopljene tvari od zasićene tvari pri istoj temperaturi;
• prezasićene, koje sadrže višak otopljene tvari u odnosu na zasićene, a za početak aktivne kristalizacije dovoljan je jedan njihov kristal.

Kao kvantitativnu karakteristiku koja odražava sadržaj određene komponente u otopinama, koriste se koncentracija. Otopine s malim udjelom otopljene tvari nazivaju se razrijeđene, a otopine s visokim udjelom otopljene tvari nazivaju se koncentrirane.

Načini izražavanja koncentracije

Maseni udio (ω) - masa tvari (m tvari) podijeljena s masom otopine (m otopine). U ovom slučaju, masa otopine se uzima kao zbroj masa tvari i otapala (m otopina).

(N) je broj molova otopljene tvari (N tvari) podijeljen s ukupnim brojem molova tvari koje tvore otopinu (ΣN).

Molalitet (C m) je broj molova otopljene tvari (N tvari) podijeljen s masom otapala (m otopina).

Molarna koncentracija (C m) - masa otopljene tvari (m in-va), u odnosu na volumen cijele otopine (V).

Normalnost ili ekvivalentna koncentracija (C n) je broj ekvivalenata (E) otopljene tvari po volumenu otopine.

Titar (T) je masa tvari (m tvari) otopljene u određenom volumenu otopine.

Volumni udio (ϕ) plinovite tvari je volumen tvari (V tvar) podijeljen s volumenom otopine (V otopina).

Svojstva otopina

Kada se razmatra ovo pitanje, najčešće se govori o razrijeđenim otopinama neelektrolita. To je, prije svega, zbog činjenice da ih stupanj interakcije između čestica približava idealnim plinovima. I drugo, njihova svojstva određena su međusobnom povezanošću svih čestica i proporcionalna su sadržaju komponenti. Takva svojstva pravih otopina nazivaju se koligativnim. Tlak pare otapala iznad otopine opisan je Raoultovim zakonom, koji kaže da je smanjenje tlaka zasićene pare otapala ΔP iznad otopine izravno proporcionalno molnom udjelu otopljene tvari (T otopljene tvari) i tlaku pare iznad čistog otapala (otopina P 0):

ΔR = R o r-la ∙ T in-va

Povećanje temperature vrenja ΔTk i temperature smrzavanja ΔTz otopina izravno je proporcionalno tvarima otopljenim u njima C m:

ΔT k = E ∙ C m, gdje je E ebulioskopska konstanta;

ΔT z = K ∙ C m, gdje je K krioskopska konstanta.

Osmotski tlak π izračunava se pomoću jednadžbe:

π = R∙E∙H in-va / V r-la,

gdje je X molni udio otopljene tvari, V je volumen otapala.

Važnost rješenja u svakodnevnom životu svake osobe teško je precijeniti. Prirodna voda sadrži otopljene plinove - CO 2 i O 2, razne soli - NaCl, CaSO4, MgCO3, KCl itd. Ali bez ovih nečistoća u tijelu bi se mogao poremetiti metabolizam vode i soli i funkcioniranje kardiovaskularnog sustava. Još jedan primjer pravih rješenja je legura metala. To može biti mjed ili zlato za nakit, ali glavna stvar je da se nakon miješanja rastaljenih komponenti i hlađenja dobivene otopine formira jedna čvrsta faza. Metalne legure koriste se posvuda, od pribora za jelo do elektronike.

Otopine su homogena masa ili smjesa koja se sastoji od dvije ili više tvari, u kojoj jedna tvar djeluje kao otapalo, a druga kao topljive čestice.

Postoje dvije teorije za tumačenje podrijetla otopina: kemijska, čiji je utemeljitelj D. I. Mendeljejev, i fizička, koju su predložili njemački i švicarski fizičari Ostwald i Arrhenius. Prema Mendeljejevom tumačenju, komponente otapala i otopljene tvari postaju sudionici kemijske reakcije uz stvaranje nestabilnih spojeva tih istih komponenti ili čestica.

Fizikalna teorija negira kemijsku interakciju između molekula otapala i otopljenih tvari, objašnjavajući proces nastanka otopina kao jednoliku raspodjelu čestica (molekula, iona) otapala između čestica otopljene tvari uslijed fizikalnog djelovanja. pojava koja se naziva difuzija.

Klasifikacija otopina prema različitim kriterijima

Danas ne postoji jedinstveni sustav klasifikacije rješenja, no uvjetno se vrste rješenja mogu grupirati prema najznačajnijim kriterijima, a to su:

I) Prema agregatnom stanju dijele se na: čvrste, plinovite i tekuće otopine.

II) Prema veličini čestica otopljene tvari: koloidni i pravi.

III) Prema stupnju koncentracije čestica otopljene tvari u otopini: zasićene, nezasićene, koncentrirane, razrijeđene.

IV) Prema sposobnosti provođenja električne struje: elektroliti i neelektroliti.

V) Prema namjeni i području primjene: kemijska, medicinska, građevinska, specijalna rješenja itd.

Vrste otopina prema agregatnom stanju

Klasifikacija otopina prema agregatnom stanju otapala data je u širem smislu značenja ovog pojma. Uobičajeno je da se tekuće tvari smatraju otopinama (i tekući i čvrsti element mogu djelovati kao topljiva tvar), međutim, ako uzmemo u obzir činjenicu da je otopina homogeni sustav dviju ili više tvari, onda je sasvim je logično prepoznati i čvrste otopine i plinovite. Čvrste otopine smatraju se smjesama, na primjer, nekoliko metala, poznatijih kao legure. Plinovite vrste otopina su smjese nekoliko plinova, primjer je zrak oko nas, koji je predstavljen u obliku spoja kisika, dušika i ugljičnog dioksida.

Otopine prema veličini otopljenih čestica

Vrste otopina na temelju veličine otopljenih čestica uključuju prave (obične) otopine i B. Otopljena tvar se raspada u male molekule ili atome, slične veličine kao molekule otapala. Istodobno, prave vrste otopina zadržavaju izvorna svojstva otapala, samo ga malo transformiraju pod utjecajem fizikalno-kemijskih svojstava elementa koji mu je dodan. Na primjer: kad se kuhinjska sol ili šećer otopi u vodi, voda ostaje u istom agregatnom stanju i iste konzistencije, gotovo iste boje, samo joj se mijenja okus.

Koloidne otopine razlikuju se od običnih po tome što se dodana komponenta ne raspada u potpunosti, zadržavajući složene molekule i spojeve, čija veličina znatno premašuje čestice otapala, prelazeći vrijednost od 1 nanometra.

Vrste koncentracija otopina

Istoj količini otapala možete dodati različite količine otopljenog elementa, a izlaz će biti otopine različitih koncentracija. Navodimo glavne:

1. Zasićene otopine karakterizira stupanj do kojeg se topljiva komponenta pod utjecajem konstantne temperature i tlaka više ne raspada na atome i molekule i otopina postiže faznu ravnotežu. Zasićene otopine također se mogu podijeliti na koncentrirane, u kojima je otopljena komponenta usporediva s otapalom, i razrijeđene, u kojima je otopljene tvari nekoliko puta manje od otapala.
2. Nezasićene otopine su one u kojima se otopljena tvar još uvijek može raspasti na male čestice.
3. Prezasićene otopine nastaju kada se promijene parametri utjecajnih čimbenika (temperatura, tlak), uslijed čega se nastavlja proces "drobljenja" otopljene tvari, ona postaje veća nego što je bila u normalnim (uobičajenim) uvjetima.

Elektroliti i neelektroliti

Neke se tvari u otopinama razlažu na ione koji mogu provoditi električnu struju. Takvi homogeni sustavi nazivaju se elektroliti. U ovu skupinu spadaju kiseline i većina soli. A otopine koje ne provode električnu struju obično se nazivaju neelektroliti (gotovo svi organski spojevi).

Grupe rješenja prema namjeni

Rješenja su nezamjenjiva u svim sektorima nacionalnog gospodarstva, čija je specifičnost stvorila takve vrste specijalnih rješenja kao što su medicinska, građevinska, kemijska i druga.

Medicinske otopine su skup pripravaka u obliku masti, suspenzija, mješavina, otopina za infuzije i injekcije te drugih oblika doziranja koji se koriste u medicinske svrhe za liječenje i prevenciju raznih bolesti.

Vrste kemijskih otopina uključuju veliki izbor homogenih spojeva koji se koriste u kemijskim reakcijama: kiseline, soli. Ove otopine mogu biti organskog ili anorganskog podrijetla, vodene (morska voda) ili bezvodne (na bazi benzena, acetona itd.), tekuće (votka) ili čvrste (mjed). Našli su svoju primjenu u raznim sektorima nacionalnog gospodarstva: kemijskoj, prehrambenoj, tekstilnoj industriji.

Vrste mortova imaju viskoznu i gustu konzistenciju, zbog čega je naziv smjese prikladniji za njih.

Zbog svoje sposobnosti brzog stvrdnjavanja, uspješno se koriste za polaganje zidova, stropova, nosivih konstrukcija, kao i za završne radove. To su vodene otopine, najčešće trokomponentne (otapalo, cement raznih oznaka, punilo), gdje se kao punilo koriste pijesak, glina, drobljeni kamen, vapno, gips i drugi građevinski materijali.

Rješenja.

Otopine su homogeni sustavi promjenjivog sastava. Kemijski sastav i fizikalna svojstva jedne otopine jednaki su u svim dijelovima njezina volumena.

Za razliku od jednostavnog miješanja tvari, nakon otapanja dolazi do interakcije između čestica, formiranje rješenja.

Koncepti homogenog i sustava često se koriste za definiranje rješenja.

U ovom slučaju, rješenje se zove homogeni sustav, koji se sastoji od dvije ili više komponenti.

Homogeni i heterogeni sustavi

Homogen sustav(od grčkog όμός - jednak, identičan; γένω - rađati) - homogeni sustav, čiji su kemijski sastav i fizikalna svojstva jednaki u svim dijelovima ili se mijenjaju kontinuirano, bez skokova (nema sučelja između dijelova sustav).

U homogenom sustavu od dvije ili više kemijskih komponenti, svaka je komponenta raspoređena u masi druge u obliku molekula, atoma i iona. Komponente homogenog sustava ne mogu se mehanički odvojiti jedna od druge.

Heterogeni sustav(od grčkog έτερος - različit; γένω - rađati) - heterogeni sustav koji se sastoji od homogenih dijelova (faza) odvojenih sučeljem.

Rješenja može postojati u tri agregatna stanja - kruto, tekuće i plinovito (para). Primjeri čvrstih otopina uključuju neke metalne legure, kao što je legura zlata i bakra, i plinovite otopine kao što je zrak.

Najvažnija vrsta otopina su tekuće otopine.

Rješenja izuzetno su važni u ljudskom životu. Dakle, procesi asimilacije hrane od strane ljudi i životinja povezani su s prijenosom hranjivih tvari u otopinu. Otopine su sve najvažnije fiziološke tekućine (krv, limfa itd.).

Otapala

Svaka otopina sastoji se od otopljenih tvari i otapala, tj. okolina u kojoj su te tvari ravnomjerno raspoređene u obliku molekula i iona.

Obično otapalo razmotrite komponentu koja postoji u svom čistom obliku u istom agregatnom stanju kao i nastala otopina. Na primjer, u slučaju vodene otopine soli, otapalo je voda.

Ako su obje komponente bile u istom agregatnom stanju prije otapanja (npr. alkohol i voda), tada se komponenta koja je u većoj količini smatra otapalom.

Prave i koloidne otopine

U otopinama tvari mogu biti prisutne u različitim stupnjevima disperzija(tj. fragmentacija). Veličina čestica važna je značajka koja određuje mnoga fizikalno-kemijska svojstva otopina.

Prema veličini čestica, otopine se dijele na:

1. Prava rješenja(veličina čestica manja od 1 mikrona) i

2. Koloidne otopine(veličina čestica od 1 do 100 mikrona).

Smjese s česticama većim od 100 mikrona stvaraju suspenzije: suspenzije I emulzije.

Prava rješenja Može biti ionski ili molekularni ovisno o tome da li otopljena tvar disocira na ione ili ostaje u nedisociranom stanju u obliku molekula.

Koloidne otopine oštro razlikuju po svojstvima od pravih otopina. Oni heterogena, budući da imaju sučelje između faza - otopljenu tvar ( disperzirana faza) i otapalo ( disperzijski medij).

Otopine visokomolekularnih spojeva: proteina, polisaharida, kaučuka imaju svojstva i pravih i koloidnih otopina i svrstavaju se u posebnu skupinu.

Otopine, mehaničke smjese i kemijski spojevi

Homogenost otopina čini ih vrlo sličnim kemijskim spojevima.

Kemijski spoj- složena tvar koja se sastoji od kemijski vezanih atoma dvaju ili više elemenata.

Riješenje ovo nije jedan kemijski spoj, već najmanje dva miješana spoja. Za razliku od jednostavnog miješanja tvari, tijekom otapanja dolazi do interakcije između čestica koje tvore otopinu.

Oslobađanje topline tijekom otapanja nekih tvari također ukazuje na kemijsku interakciju između otapala i otopljene tvari.

Razlika između otopina i kemijskih spojeva je u tome što sastav otopine može varirati u širokim granicama. Osim toga, u svojstvima otopine mogu se otkriti mnoga svojstva njezinih pojedinih komponenti, koja se ne opažaju u slučaju kemijskog spoja.

Promjenjivost sastava otopina ih približava mehaničkim smjesama.

Mehanička smjesa- fizikalno-kemijski sustav koji uključuje dva ili više kemijskih spojeva (komponenata). Početni materijali uključeni su nepromijenjeni u smjesu. Prilikom miješanja ne stvara se nova tvar.

Otopine se izrazito razlikuju od mehaničkih smjesa po svojoj homogenosti. Dakle, otopine zauzimaju srednji položaj između mehaničkih smjesa i kemijskih spojeva.

Proces otapanja

Otapanje kristala u tekućini odvija se na sljedeći način.

Kada se kristal unese u tekućinu u kojoj se može otopiti, pojedinačne se molekule odlamaju s njegove površine. Potonji se, zbog difuzije, ravnomjerno raspoređuju po cijelom volumenu otapala.

Odvajanje molekula od površine krutine uzrokovano je, s jedne strane, njihovim vlastitim vibracijskim gibanjem, as druge strane, privlačenjem molekula otapala.

Ovaj proces bi se morao nastaviti sve dok se bilo koji broj kristala potpuno ne otopi, da se nije dogodio obrnuti proces - kristalizacija. Molekule koje su prešle u otopinu, udarajući o površinu tvari koja se još nije otopila, ponovno je privlače i postaju dio njezinih kristala.

Jasno je da će se oslobađanje molekula iz otopine odvijati brže, što više koncentracija otopine. A budući da se potonji povećava kako se tvar otapa, tada konačno dolazi trenutak kada brzina otapanja postaje jednaka brzini kristalizacije. Zatim se instalira dinamička ravnoteža, pri čemu se isti broj molekula otapa i kristalizira u jedinici vremena.

Otopina koja je u ravnoteži s otopljenom tvari naziva se zasićena otopina.

Koncentracija otopina

Zasićene otopine moraju se koristiti relativno rijetko. U većini slučajeva koriste se nezasićene otopine, tj. s nižom koncentracijom otopljene tvari nego u zasićenoj otopini.

Koncentracija otopine je količina otopljene tvari sadržana u određenoj količini otopine ili otapala.

Otopine s visokom koncentracijom otopljene tvari nazivaju se koncentrirana, s niskim – razrijeđena.

Koncentracija otopine može se izraziti na različite načine:

1. Kao postotak otopljene tvari u odnosu na ukupnu količinu otopine.

2. Broj gram molekula otopljene tvari sadržane u 1 litri otopine.

3. Broj gram molekula otopljene tvari sadržane u 1000 g otapala
itd.

Topljivost

Topljivost je sposobnost tvari da se otopi u određenom otapalu..

Mjera topljivosti tvari u danim uvjetima je koncentracija njegove zasićene otopine.

Topljivost raznih tvari jako varira.

• Ako u 100 grama voda se više otapa 10 g tvari, onda takva tvar
  obično se zove visoko topljiv.
• Ako se otapa manje od 1 g tvari – slabo topljiv.
• Ako ide u otopinu manje od 0,01 g tvari, onda se takva tvar naziva
  praktički netopljiv.

Načela za predviđanje topljivosti tvari još nisu poznata. Međutim, obično se tvari koje se sastoje od polarnih molekula i tvari s tipovima ionskih veza bolje otapaju u polarnim otapalima (voda, alkohol, tekući amonijak), a nepolarne tvari bolje se otapaju u nepolarnim otapalima (benzen, ugljikov disulfid).

Otapanje većine krutih tvari prati apsorpcija topline. To se objašnjava utroškom značajne količine energije na razaranje kristalne rešetke krutine, što obično nije u potpunosti nadoknađeno energijom koja se oslobađa tijekom stvaranja hidrata (solvata).

Općenito, povećanje temperature trebalo bi dovesti do povećanja topljivosti krutina.

Rješenja– termodinamički stabilni sustavi promjenjivog sastava, koji se sastoje od najmanje dvije komponente i proizvoda njihove interakcije. To su disperzni sustavi koji se sastoje od disperzne faze i disperzijskog medija. Postoji devet sustava (tablica 1):

stol 1

Raspršeni sustavi

Gdje G– plin;

T– čvrsto tijelo;

I– tekućina.

postojati tekućine, plinovite i čvrste otopine. Otopine se razlikuju od kemijskih spojeva po tome što se njihov sastav može kontinuirano mijenjati. Kao i svaki sustav koji je kemijski ravnotežan pod danim uvjetima, otopine moraju imati minimalnu Gibbsovu slobodnu energiju. Prema agregatnom stanju disperzni sustavi mogu biti: plinoviti, tekući, čvrsti; prema stupnju raspršenosti - suspenzije, koloidne i prave otopine. Obustaviti– heterogeni sustavi, vremenski nestabilni. Njihove čestice su vrlo male i zadržavaju sva svojstva faze. Suspenzije su stratificirane, a disperzna faza se ili taloži ili ispliva, ovisno o omjeru gustoće. Primjeri: magla (tekućina raspoređena u plinu), suspenzija (krutina - tekućina), emulzija (tekućina - tekućina, C 2 H 5 OH + H 2 O - etilni alkohol i voda).

U pravoj otopini, tvar raspoređena u mediju raspršena je na atomsku ili molekularnu razinu. Postoje brojni primjeri: plinovita otopina - zrak, koja se sastoji od glavne komponente dušika - 78% N 2; legure koje su čvrste otopine, npr. bakar Cu – Zn, Cu – Cd, Cu – Ni itd.

Koloidne otopine– mikroheterogeni sustavi, zauzimaju srednji položaj između pravih otopina i suspenzija. Otopine se sastoje od otopljene tvari i otapala. Otapalo je komponenta koja prevladava u otopini. Svojstva otopina ovise o koncentraciji. Razmotrimo načine izražavanja koncentracije otopina.

2. Koncentracija i načini njenog izražavanja

Koncentracija– količina otopljene tvari sadržana u određenoj količini otopine ili otapala. Pri određivanju koncentracije otopina koriste se različite metode analitičke kemije: gravimetrijske, volumetrijske, kao i metode koje se temelje na mjerenju gustoće, indeksa loma i drugih fizikalno-kemijskih svojstava.

Vrste koncentracije

Maseni udio otopljena tvar u otopini ? , % – omjer mase tvari prema masi otopine:

Primjer: neka m(CaCl 2) = 10 g, dakle ? (CaCl2) = (10/100) g 100% = 10%.

Molarnost otopine– broj molova otopljene tvari u jednoj litri otopine.

Primjer: 1 mol H 2 SO 4 – 98 g, vode treba dodati na jednu litru.

Molalitet– broj molova otopljene tvari na 1000 g otapala. Primjer:

H 2 SO 4 – 98 g/mol + 1000 g H 2 O.

Molni udio otopljene tvari u otopini, N

Gdje n 1 – otopljena tvar (mol);

n 2 – otapalo (mol).

Primjer: imamo 20% NaOH (kaustična soda).

Titar– broj otopljene tvari u jednom mililitru otopine. Postoji titrimetrijska analiza – metoda kvantitativne analize u kojoj je sadržaj analita x izračunato na temelju mjerenja količine reagensa utrošenog na interakciju sa x, provođenje reakcije u titrimetrijskoj analizi je završna faza analize. Primjer: titrirati volumen kiseline kapima lužine do nestanka boje – potpuna neutralizacija. Tijekom titracije

Gdje N– normalnost – broj molnih ekvivalenata otopljene tvari u jednoj litri otopine.

Glavna karakteristika rješenja je njihova topljivost– masa tvari koja se može otopiti u stotinu grama otapala pri određenoj temperaturi; ovaj proces prati toplinski učinak. Kvantitativno, topljivost krutine, plina ili tekućine u tekućem otapalu određena je koncentracijom zasićene otopine pri danoj temperaturi, tj. koliki je udio tvari po masi (volumenu) u danom otapalu. Primjer: m(NaCl) – 58,5 g na 100 g H 2 O pri određenoj temperaturi. Zasićena otopina– otopina u ravnoteži s viškom otopljene tvari. Prezasićeno- nestabilna otopina koja sadrži više tvari nego što je određeno njezinom topljivošću.

Kvalitativna karakteristika je sposobnost otapanja ili neotapanja, na primjer, sumpor se ne otapa u vodi, jod je praktički netopljiv u vodi. Proces otapanja sastoji se od dvije faze:

1. Topljivost čvrstih tvari u vodi (razaranje kristala je endotermna reakcija, tj. apsorbira se toplina - q 1).

2. Pojedinačne čestice stupaju u interakciju s vodom, taj se proces naziva - hidratacija, oslobađa toplinu + q 2

Q otapanje = – q 1 + q 2 .

ako - q 1 > q 2, tada je ukupni učinak negativan (– Q), ako je obrnuto, onda je pozitivan (+ Q).

?H= 0 – identični učinci, ? H< 0 – oslobađa se toplina, ? H> 0 – toplina se apsorbira.

Toplinski učinak otapanja– količina topline jednog mola tvari.

tvar+ otapalo- zasićena otopina+ Q.

Tvar koja se otapa sniženjem temperature povećava svoju topljivost. Razmotrimo topljivost nekih tvari. Primjer, NH 4 NO 3 – amonijev nitrat, topljivost pada na nulu, endotermni učinak reakcije. Razmotrimo detaljno faze: u prvoj fazi - učinak razaranja kristalne rešetke, endotermni. Na drugom - ravnomjerna raspodjela po volumenu s vodom, hidratacija - egzotermna.

q 1 > q 2 > – Q– toplina se apsorbira,

?H> 0.

Drugi primjer, NaOH - natrijev hidroksid, egzotermni učinak reakcije,

q 1 < q 2 > +Q- oslobađa se toplina.

To znači da je topljivost određena prirodom soli tvari i otapala.

Druga karakteristika rješenja je dielektrična konstanta– koliko je puta sila međudjelovanja dvaju naboja manja nego u vakuumu.

Otopite li 10 g natrijevog hidroksida NaOH u sto mililitara vode iz slavine, temperatura naglo poraste na 60 o C (temperatura vode iz slavine +20 o C).

Otopite li 40 g amonijevog nitrata NH 4 NO 3 u 100 ml iste vode, temperatura naglo pada s +20 o C na –7 o C.

Ako otopite natrijev klorid NaCl u 100 ml vode iz slavine, temperatura se ne mijenja.

3. Topljivost plinova u tekućinama

Ovisi o tlaku i temperaturi. Topivost plinova varira zbog njihove različite kemijske prirode.

N2, H2 slabo su topljivi u vodi, topljivost NH3, HCl je vrlo visoka, 700 volumena amonijaka NH3 otopi se u jednom volumenu H2O.

Plin + H 2 O > 3,5 volumena O 2 u jednom volumenu H 2 O je egzoterman proces. Kako temperatura raste, topljivost nekih plinova opada. Pri konstantnoj temperaturi i niskom tlaku, topljivost plinova koji ne ulaze u kemijsku interakciju s otapalom pokorava se Henry-Daltonovom zakonu koji se sastoji od nekoliko dijelova.

1 dio: Masa plina koji se otapa u određenom volumenu tekućine proporcionalna je tlaku koji plin vrši na tekućinu.

Na primjer, tjeramo CO 2 pod pritiskom u bocu.

2. dio: Volumen plina ne ovisi o tlaku.

dio 3: Ako je smjesa plinova otopljena, tada je topljivost svake komponente proporcionalna njezinom parcijalnom tlaku.

Plinovi koji reagiraju s vodom ne poštuju Henry-Daltonov zakon.

4. Otopine neelektrolita. Raoultov zakon i njegove posljedice

Razmotrimo model idealnog rješenja. Rješenje se zove savršen, ako ne postoji međudjelovanje među česticama (molekula, atoma, iona). Otopine bez elektrolita– čestice koje su slabo topljive u vodi jer nema nositelja električnog naboja. Raoultov zakon vrijedi samo za razrijeđene otopine neelektrolita.

Neka PBO– tlak pare iznad čistog otapala, pri konstantnoj temperaturi T 1 ; P B– tlak pare otapala na istoj temperaturi, ali iznad otopine koja se sastoji od nehlapljive komponente A(šećer), i čisto tekuće otapalo U:

P B= f(T).

Razlika PBO– P B jednak smanjenju tlaka pare.

Veličina (P BO – P B) /P BO– relativno smanjenje tlaka pare = X A =?P/P BO, Gdje X A– molni udio, PBO>PB,?P = PBO – PB– apsolutno smanjenje tlaka pare.

Raoultov zakon. Relativno smanjenje tlaka pare otapala iznad otopine jednako je molnom udjelu otopljene nehlapljive komponente.

Boltzmannova barometrijska formula.

Posljedice iz Raoultovog zakona:

1. Otapanje nehlapljive komponente u otapalu dovodi do proširenja temperaturnog raspona postojanja tekuće faze.

2. Sniženje ledišta i povećanje vrelišta izravno su proporcionalni molarnoj koncentraciji otopljene tvari.

3. Otopine koje sadrže isti broj molova otopljenih tvari u istim molovima otapala pokazuju isti pad ledišta i isti porast vrelišta.

?t kip =E x Iz molitvene sobe,

Gdje E – ebulioskopska konstanta, +0,52.

?t zamjenik =K x Iz molitvene sobe,

Gdje DO - krioskopska konstanta jednaka –1,86.

Ebulioskopska konstanta– razlika između vrelišta otopine i temperature čistog otapala.

Krioskopska konstanta– razlika između ledišta otopine i temperature čistog otapala.

Da biste riješili probleme o tim konstantama, morate znati masu otopljene tvari i masu otopine. Na primjer, masa kloroforma (triklorometan CHCl 3) izračunava se formulom:

Gdje m 1 – masa otopljene tvari;

m 2 – masa otapala;

?t– vrijednost koja pokazuje koliko je stupnjeva temperatura pala;

DO– krioskopska konstanta.

Osmoza– pojava selektivne difuzije određene vrste čestica kroz polupropusnu pregradu. Ovu pojavu prvi je opisao opat Nolle u 1748. Pregrade, propusne samo za vodu ili drugo otapalo i nepropusne za otopljene tvari, male i visoke molekularne težine, mogu biti izrađene od polimernih filmova (kolodija) ili gelastih precipitata, na primjer, bakrov ferocijanid Cu 2; ovaj talog nastaje u porama staklene filterske pregrade kada se porozni materijal prvo uroni u otopinu bakrenog sulfata (CuSO 4 x 5H 2 O), a zatim u žutu krvnu sol K 2. Tvari difundiraju kroz takvu pregradu, što je važan slučaj osmoze, omogućujući mjerenje osmotskog tlaka, tj. Osmotski tlak– mjera tendencije gibanja otopljene tvari uslijed toplinskog gibanja tijekom procesa difuzije iz otopine u čisto otapalo; ravnomjerno raspoređen po cijelom volumenu otapala, smanjujući početnu koncentraciju otopine.

Zbog osmotskog tlaka, sila uzrokuje podizanje tekućine, ovaj osmotski tlak je uravnotežen hidrostatskim tlakom. Kada se brzine difuzije tvari izjednače, tada će osmoza prestati.

Uzorci:

1. Pri konstantnoj temperaturi osmotski tlak otopine izravno je proporcionalan koncentraciji otopljene tvari.

2. Osmotski tlak proporcionalan je apsolutnoj temperaturi.

Godine 1886 J. G. van't Hoff pokazao je da se veličina osmotskog tlaka može izraziti stanjem plina

P baze V = RT.

Avogadrov zakon primjenjivo na razrijeđene otopine: jednaki volumeni različitih plinova pri istoj temperaturi i istom osmotskom tlaku sadrže isti broj otopljenih čestica. Otopine različitih tvari iste molarne koncentracije pri istoj temperaturi imaju isti osmotski tlak. Takva rješenja nazivaju se izotoničan.

Osmotski tlak ne ovisi o prirodi otopljenih tvari, već o koncentraciji. Ako volumen zamijenimo koncentracijom, dobivamo:

Razmotrimo van't Hoffov zakon: osmotski tlak otopine brojčano je jednak tlaku koji bi određena količina otopljene tvari proizvela kada bi ona, u obliku idealnog plina, zauzimala volumen jednak volumenu otopine pri danoj temperaturi.

Svi opisani zakoni vrijede za beskonačno razrijeđene otopine.

Parcijalni tlak

Parcijalni tlak- tlak koji bi plin uključen u plinsku smjesu stvarao kada bi se iz nje uklonili svi ostali plinovi, pod uvjetom da se temperatura i volumen održavaju konstantnima.

Određuje se ukupni tlak plinske smjese Daltonov zakon: ukupni tlak mješavine plinova koji zauzima određeni volumen jednak je zbroju parcijalnih tlakova koje bi svaki pojedini plin imao kada bi zauzimao volumen jednak volumenu mješavine plinova.

P = P 1 + R 2 + R 3 + … + R k,

Gdje R– ukupni tlak;

R k– parcijalni tlak komponenti.

6. Fugacitivnost

Fugativnost– funkcija koja karakterizira stanje dane tvari u čistom obliku ili u smjesi s drugim tvarima pri danoj temperaturi i tlaku. Na drugi način to se naziva termodinamička volatilnost; je veličina koja kvantitativno karakterizira sposobnost tvari da izađe iz određene faze, ali izražava ovu karakteristiku u jedinicama tlaka. Za tekućine i čvrste tvari on je povezan s tlakom zasićene pare i postaje joj jednak kada se na paru primijene zakoni idealnih plinova. Za idealni plin, da biste pronašli, na primjer, promjenu Gibbsove energije tijekom izotermnog procesa, jednostavno morate riješiti problem u skladu s Mendelejev–Clapeyronovom jednadžbom:

Radi pojednostavljenja izračuna G. Lewis 1901. uvedena je funkcija f iz R - fugacity. Zamjenom tlaka fugicitetom, zadržavamo jednostavan matematički oblik koji termodinamički odnosi imaju za idealni plin.

Dakle, nova funkcija definirana je jednadžbom:

Vrijednosti fugacitivnosti pri visokim tlakovima (i niskim temperaturama) vrlo su različite od R. Da, kada t = 0 i P = 1200, f co = 2663, at t= 0, P= 100, f NH3 = 204, a za N2 at t= –75, P= 6000, f – 2 x 10 6, odnosno fugacitivnost postaje nerazmjerna tlaku.

Fugacitivnost se može definirati kao tlak koji određeni stvarni sustav mora proizvesti kako bi imao isti učinak kao idealni. Karakterizira odstupanje od idealnog stanja i, poput tlaka za idealan plin, može se smatrati mjerom rasipanja tvari. Kako se pravi plin približava idealnom stanju/približava se njegova vrijednost R, pa za idealni plin pri svim tlakovima obje veličine postaju jednake, tj.

Vidi se da se dimenzija / poklapa s dimenzijom R. Treba naglasiti da zamjena R na/u jednadžbama idealnog plina pri prijelazu u realnu vrijedi samo za izotermni proces, budući da je u skladu s (2) fugacitivnost specifična izotermna funkcija. Za karakterizaciju stupnja odstupanja plina od idealnog stanja, količina

Gdje ? – koeficijent fugicije.

7. Henryjev zakon

Fugacitivnost otapala u razrijeđenoj otopini ne ovisi o prirodi otopljene tvari i izračunava se prema Raoultovom zakonu, to jest:

Budući da je fugicitet tekuće ili krute otopine jednak fugicitetu zasićene pare, kada se otapalo u parnom stanju ponaša kao idealni plin, jednadžba (4) postaje

Poznavanje ovisnosti f 1 o sastavu, može se pronaći ovisnost f 2 od N 2 prema jednadžbi:

N 1 dRT ul (f 1 N 1) + N 2 dRT ul f 2 = 0

ul f 2 = l n N 2+ konst.

Prepisujući ovu jednadžbu kao

ul f 2 = l n N2+ ul K(P, T),

dobivamo na P,T= konst

f 2 = KN 2

Ako u posljednjoj jednadžbi uzmemo u obzir f 2 kao fugacitivnost otopljene tvari u plinovitoj fazi koja koegzistira s tekućinom (krutom), tada je to točan termodinamički oblik Henryjev zakon.

Njegova formulacija: ovisnost topljivosti plina u tekućini o tlaku je da je pri konstantnoj temperaturi plina otopljenog u danoj tekućini topljivost plina proporcionalna njegovom tlaku iznad otopine.

Kratka formulacija: topljivost plina proporcionalna je tlaku. Ovaj zakon je uspostavljen 1803. Na njega odgovara jednadžba:

Gdje R 2 – parcijalni tlak otopljenog plina.

Henryjev plinski zakon strogo se poštuje samo za idealna rješenja i primjenjiv je samo u području niskih tlakova na plinove koji se prilično dobro pokoravaju Boyle-Mariotteovim i Gay-Lussacovim zakonima.

Dakle, za razrijeđenu otopinu, fugitivnost otapala izračunava se prema Raoultovom zakonu, a fugicitivnost otopljene tvari izračunava se prema Henryjevom zakonu. Henryjeva konstanta poprima značenje fugacitivnosti (tlaka) čiste otopljene tvari pri tlaku jednakom ukupnom tlaku iznad otopine.