Растворы. Теории растворов . Закон Рауля и Генри. Реальные растворы

Курсовая работа по теме:

«Растворы. Теории растворов . Закон Рауля и Генри. Реальные растворы»

 

СОДЕРЖАНИЕ

	стр.
Введение	3
1 Теоретическая часть	4
1.1 Классификация растворов	4
1.2 Основные направления в развитии теории растворов	6
1.3 Термодинамические условия образования растворов	10
1.4 Парциальные молярные величины	11
1.5 Основные методы определения парциальных молярных величин	13
1.6 Закон Рауля. Идеальные растворы. Предельно разбавленные и неидеальные (реальные) растворы.	15
1.7 Реальные растворы. Отклонения от закона Рауля. Диаграмма кипения	20
1.8 Азеотропные смеси. Законы Гиббса – Коновалова. Законы Вревского	23
2 Практическая часть	25
Заключение	27
Список использованных источников	28

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Растворы –важные физико-химические системы, играющие огромную роль в процессах жизнедеятельности, биологии и технике. Большинство биологических процессов в животных и растительных организмах протекает в водных растворах. Растворы используются также при проведении технологических процессов.

Различают растворы жидкие, газообразные, твердые. В свою очередь, например твердые растворы делятся на растворы замещения ,вычитания, внедрения. Также растворы классифицируют на идеальные, предельно разбавленные, неидеальные(реальные). Важной характеристикой раствора является его состав или концентрация.

Основные направления в развитии растворов: Физическая теория растворов. Химическая теория растворов.

Целью данной курсовой работы является подробно узнать и изучить растворы.

Исходя из поставленной цели, необходимо решить следующие задачи:

• Подробно описать классификацию растворов;
• Раскрыть основные направления в развитие растворов;
• Ознакомиться термодинамические условия образования растворов;
• Установить зависимость свойств растворов от состава и свойств его компонентов;
• Определить понятия идеальный раствор, предельноразбавленный раствор, реальный раствор(неидеальный раствор);
• Рассмотреть законы связанные непосредственно с данной темой

(законы: Рауля, Генри, Вревского, Гиббса –Коновалова );

• Изучить диаграмму «общее давление пара –состав раствора», температура –состав.

1 ТЕОРИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 

1. РАСТВОРЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ РАСТВОРОВ

 

Раствором называется однородная смесь, состоящая из двух или большего числа веществ, состав которой в определенных пределах может изменяться. Различают твердые, газообразные, жидкие растворы. Раскроем суть этой классификации.

Твердые растворы образуются при кристаллизации жидких расплавов или при растворении газов в твердых веществах. Твердые растворы в свою очередь делятся:

• Твердые растворы замещения
• Твердые растворы внедрения
• Твердые растворы вычитания

Твердые растворы замещения –такие растворы, которые образуются при сохранении структуры кристаллической решетки растворителя, являются наиболее распространенными. При образование таких растворов в узлах кристаллической решетки данного вещества атомы, молекулы и ионы замещаются частицами другого вещества. Образование возможно, если оба вещества близки по кристаллохимическим свойствам и размерам частиц(полное совпадение по свойствам и размерам).

Твердые растворы внедрения получаются путем внедрения частиц одного вещества в междоузлия кристаллической решетки другого вещества(растворителя). Такие растворы образуются, при условие, если размеры частиц внедряемого вещества меньше, чем  размеров частиц растворителя.

Твердые растворы вычитания встречаются значительно реже. Они получаются при выпадение некоторых атомов из кристаллической ячейки ,в  связи с чем эти растворы иногда называют твердыми растворами с дефектной решеткой.

Взаимная растворимость веществ, образующих твердые растворы зависит от внешних условий и особенно от температуры. С понижением температуры взаимная растворимость веществ часто уменьшается, а это приводит к разделению исходного твердого раствора на два насыщенных раствора- такой процесс называется разрывом сплошности твердых растворов.

Также растворы различают с :

• Неограниченной растворимостью
• Ограниченной растворимостью

На практике наиболее часто приходится сталкиваться с жидкими растворами. В жидком растворе различают растворитель  и растворенное вещество, хотя с точки зрения термодинамики все компоненты системы равноценны.

Под растворителем понимают вещество, которое имеется в растворе в большем количестве. Растворителем может служить вода или органические жидкости (спирты, кетоны, кислоты, эфиры).

Остальные компоненты, присутствующие в растворе в меньших количествах, называют растворенными веществами[1].

 

 

2. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ В РАЗВИТИИ ТЕОРИИ РАСТВОРОВ

 

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

В начале 19в. создаются предпосылки для развития физической теории растворов, которая явилась обобщением ряда исследований. Физическая теория растворов, возникшая главным образом на основе работ Я. Вант-Гоффа, С.Аррениуса и В. Оствальда, опиралась на экспериментальное изучение свойств разбавленных растворов (осмотическое давление, повышение температуры кипения , понижение температуры замерзания раствора, понижение давления пара над раствором), зависящие главным образом от концентрации растворенного вещества, а не от его природы[1]. Осмос –это самопроизвольное проникновение растворителя в раствор, отдаленный от него полупроницаемой перегородкой , через которую может

поступать растворитель, не может, проходит растворенное вещество.

 

Раствор и растворитель, разделенные полупроницаемой перегородкой можно рассматривать как две фазы. Равновесие растворителя по обе стороны от перегородки выражается равенством его химического потенциала в растворе ( к которому приложено дополнительное давление )и химического потенциала чистого растворителя [2].

 

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

Аналогия между сильно разбавленными растворами и газами многим ученым показалась столь убедительной ,что они стали рассматривать процесс растворения как физический акт. С точки зрения этих ученых растворитель является только средой, в которую могут диффундировать частицы растворенного вещества. Простота представлений физической теории растворов и успешное применение ее для объяснения многих свойств растворов обеспечили быстрый успех этой теории [1].

 

Химическая теория растворов. Д.И. Менделеев и его последователи рассматривали процесс образования раствора как разновидность химического процесса, для которого характерно взаимодействие между частицами компонентов. Д.И. Менделеев рассматривал растворы как системы ,образованные частицами растворителя ,растворенного вещества и неустойчивых химических соединений ,которые образуются между ними и находятся в состояние частичной диссоциации. Д.И. Менделеев отмечал, что процессы ,протекающие в растворе ,имеют динамический характер и на необходимость использования всей суммы физических и химических сведений о свойствах частиц, образующих раствор ,подчеркивал, что все компоненты раствора равноправны и без учета свойств и состояний каждого из них нельзя дать полной характеристики системы в целом. Большое значение ученый придавал изучению свойств растворов как функции температуры ,давления ,концентрации ; он впервые высказал мысль о необходимости изучения свойств растворов в смешанных растворителях. Развивая учение Д.И. Менделеева, сторонники химического взгляда на природу растворов указали, что частицы растворенного вещества движутся не в пустоте, а в пространстве , занятом частицами растворителя , с которыми они взаимодействуют, образуя сложные ,различные по устойчивости соединения[1]. Развитием теории Д.И.Менделеева является полиэдрическая теория образования растворов, согласно которой в жидкости из однородных и разнородных молекул создаются элементарные пространственные группы-полиэдры. Однако химическая теория не может объяснить механизм образования идеальных растворов, отклонения в свойствах реальных растворов от свойств идеальных растворов[1].

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

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

В связи с большим разнообразием растворов для объяснения их природы и свойств используются представления и физической и химической теории растворов [1].

 

 

3. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ РАСТВОРОВ

 

Образование раствора из компонентов – процесс самопроизвольный, в котором , как и в любом самопроизвольном процессе, протекающем в закрытой системе, находящейся под влиянием двух внешних факторов (Р и Т), G <0. Следовательно, термодинамическим условием образования раствора является убыль энергии Гиббса. Такой процесс будет протекать самопроизвольно, до тех пор пока в системе не установится равновесие: растворяемый компонент (тв, ж, г) растворяемый компонент (раствор). Энергия Гиббса в этом случае равна нулю.

С точки зрения термодинамики раствор называется насыщенным, если химический потенциал чистого растворяемого вещества(твердого ,жидкого, газообразного) равен химическому потенциалу этого вещества в растворе[1].

 

1.4 ПАРЦИАЛЬНЫЕ МОЛЯРНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ

 

Особенность термодинамического подхода к растворам заключается в том, что здесь не требуется представлений о молекулярном механизме взаимодействия в растворах. Основным вопросом при таком подходе является установления зависимости растворов от состава и свойств его компонентов. Для установления такой зависимости пользуются парциальными молярными величинами [1].

Термодинамические свойства раствора, как и любой другой термодинамические системы, подразделяются на экстенсивные и интенсивные. Экстенсивные свойства(объем, внутренняя энергия, энтропия, энтальпия ) обычно относят ко всему раствору как единому целому ,а не к отдельным его компонентам. Для характеристики вклада в экстенсивное свойство раствора  того или иного компонента Льюис предложил использовать парциальные мольные величины.

Парциальной молярной величиной данного компонента i называют частную производную от экстенсивного свойства раствора (g) по числу молей этого компонента (ni) при постоянстве температуры, давления и числа молей всех остальных компонентов:

                                                                                        (12.12)