Современное представление о теории растворов и процессы растворения

Современное представление о теории растворов и процессы растворения

Министерство  сельского хозяйства РФ

ФГБОУВПО «Санкт- Петербургская академия ветеринарной медицины»

Кафедра биохимической  и органической химии.

 

 

 

Реферат

На тему: « Современное представление о теории растворов и процессы растворения»

 

 

Работу выполнила:

Студентка 2 курса 3 группы

Сулименко Юлия Михайловна

Преподаватель:

Бахта Алеся  Александровна 

 

Содержание.

Оглавление

 

 

 

Вступление

Растворы находят широкое  применение в самых различных  областях практики. Категории растворов  относятся и природный раствор  воды, и такие материалы, как сырая нефть и различные нефтепродукты-бензины, керосин, вазелин, парафин, смазочные масла, жидкие сплавы металлов, расплавленные смеси силикатов смеси органических растворителей, различные водноспиртовые смеси и др.

 Во второй половине прошлого  века существовало две противоположных точки зрения на процесс растворения. Для первой точки зрения характерно рассмотрение процесса растворения как явления химического, для второго - как физического. В химических теориях предполагалось, что растворенное вещество и растворитель химически взаимодействуют между собой. С физической точки зрения растворенное вещество можно рассматривать, как находящееся в газообразном состоянии и применять к нему законы кинетической теории газов.

 Каждая из этих теорий  была разработана и внесла свой вклад в создание современной теории растворов, в которой принимаются во внимание и химические, и физические факторы.

 В развитии учения о растворах  выдающаяся роль принадлежит  работам Д.И. Менделеева. Он рассматривал  растворы как неустойчивые химические соединения постоянного состава, находящиеся в состоянии частичной диссоциации. Этим было положено начало химической теории растворов в противовес физическим теориям, игнорировавшим значение химического взаимодействия.

 Общей теории растворов - теории, которая давала бы возможность определять свойства раствора по известным свойствам компонентов в чистом состоянии и известному составу раствора, - в настоящее время еще нет.

 Только для растворов очень  разбавленных (в пределе бесконечно  разбавленных) удалось еще в 80-х годах прошлого века создать начала количественной теории, дающей возможность определять некоторые свойства растворов по известной их концентрации. В таких растворах молекулы растворенного вещества разобщены друг от другого большим количеством молекул растворителя. Вследствие этого их взаимодействие не проявляется в заметной степени.

Теория растворов

Растворимость газов в жидкостях

 Зависит от природы  жидкости, газа, температуры, давления  газа и присутствия называется  в жидкости других растворённых веществ. Процесс растворения газа в жидкости называется адсорбцией. Строгих закономерностей описания зависимости растворимости газа в жидкости от их природы не имеется. Газы, имеющие полярную молекулу, лучше растворяются в полярных растворителях. Неполярные в неполярных. Если сравнивать растворимость различных неполярных газов в неполярных растворителях, то газы, легко сжимаемые в чистом состоянии, обладающие более высокой критической температурой является более растворимыми. Зависимость от давления при постоянной температуре определяется законом Генри, по которому .   – давление над жидкостью,  – коэффициент пропорциональности, константа Генри. Закон Генри записывается : . Он может быть легко получен из условий гетерогенного равновесия

. ,

,

 Правая часть зависит  только от температуры и при  постоянной температуре остается  постоянной , при температуре =const => , . В каждом виде закон Генри справедлив для разбавленных растворов при небольших значениях давления. В случае большого давления газа над жидкостью закон Генри сохраняется по форме, но вместо давления нужно подставлять фугитивность . Если над жидкостью находится смесь газов, то каждый компонент растворяется в зависимости от его парциального давления. Поскольку константа Генри для каждого компонента различна, то отношение концентраций в растворе всегда отлично от отношений концентраций в газовой фазе. Закон Генри справедлив, если растворённый газ в растворе не диссоциирует и ассоциирует. При растворении газа в жидких металлах происходит диссоциация молекул газа и тогда количество растворённого в расплаве металла газа пропорционально корню квадратному из его давления над жидким металлом. Закон Сивертса. Зависимость растворённого газа в жидкости от температуры выражается через зависимость константы Генри от температуры . Растворимость газов в обычных жидкостях сопровождается выделением теплоты, т.е. ,  т.е. с увеличением температуры константа Генри будет уменьшаться, и будет уменьшаться растворимость при постоянном давлении. При растворимости газов в жидких металлов наблюдается поглощение теплоты , т.е. с ростом температуры константа Генри растёт и увеличивается растворимость. Растворимость зависит от присутствия в жидкость других растворённых веществ.

Растворимость твёрдых тел в жидкостях

 Так как образование  насыщенного раствора приводит  к состоянию равновесия, то для  качественного выяснения влияния  температуры и давления на  растворимость можно применять  правило Леашателье. В соответствии  с этим принципом при повышении  температуры в равновесных системах идут эндотермические процессы. Если растворение сопровождается поглощением теплоты, то растворимость увеличивается с повышением температуры. Для большинства твёрдых веществ растворимость сопровождается поглощением теплоты, так как расход тепла на разрушение кристаллической решётки больше, чем его выделение в результате сольватации - образования молекул или ионов. Для некоторых твёрдых веществ растворимость уменьшается с повышением температуре (Ca(OH)2) или не зависит от неё (NaCl). Растворимость различных полиморфных модификаций твёрдого вещества существенно различаются и поэтому, при температуре полиморфных превращений наблюдаются изломы на кривой зависимости растворимости от температуры. Количественно зависимость растворимости от температуры для идеальных растворов (для растворов малорастворимых веществ) выражается Ур Шредера , – молярная доля растворённого вещества в насыщенном растворе,  – молярная теплота растворённого вещества в насыщенном растворе (парциальное и молярная теплота раствора). Влияние внешнего давления на растворимость определяется так же по принципу Леашателье. С увеличением давления в равновесной системе должен идти процесс, сопровождающийся уменьшением давления или объема. Растворимость твёрдых тел вызывает очень не большое изменение давлении, по этому их растворимость практически не зависит от внешнего давления.

Коллигативные свойства разбавленных растворов неэлектролитов

 Коллигативными называются  свойства, величина которых зависит  только от количества частиц растворённого вещества. Измеряя одно из этих свойств можно вычислить все остальные. К количественным свойствам относятся:

1. Понижение давления пара растворителя над раствором
2. Повышение температуры кипения разбавленного раствора по сравнению с температурой кипения чистого растворителя
3. Понижение температуры замерзания раствора по сравнению с температуры замерзания чистого растворителя
4. Осмотическое давление при постоянной температуры давления насыщенного пара растворителя над раствором всегда ниже, чем давление насыщенного пара над чистым растворителем

  , ,  – молярная доля растворителя в растворе . Относительное понижение давление пара растворителя над раствором равно молярной доле растворённого вещества. Закон Рауля можно вывести, используя уравнение Дюгема – Маргулиса. Запишем закон Генри выражение концентрации растворённого вещества в молярных долях , ;продифференцировав по при постоянстве давления  и температуры (1).

 В соответствии с уравнением Дюгема – Маргулиса

, (2), , , ,то

Растворы кипят при температуре более высокой, чем чистый растворитель. Любая жидкость начинает кипеть при такой температуре, при которой давление её насыщенного пара становится равным внешнему давлению. В соответствии с законом Рауля давление пара над раствором ниже, чем над чистым растворителем при той же температуре. Равенство давлений внешнего и пара над раствором достигается при более высокой температуре.

 

, , - моляльность, Е – эбуллиоскопическая константа, ОА – зависимость давления от температуры для чистого растворителя, O’B– для раствора. Эбуллиоскопическая константа = повышению температуры кипения раствора, в котором концентрация растворённого вещества = 1 моль/кг растворителя. При условии, что раствор сохраняет свойства разбавленного. Эбулеоскопической константой называется молярное повышение температуры кипения. Е как и К зависит только от природы растворителя ,   – удельная теплота испарения растворителя. Измеренным можно вычислить молекулярную массу растворенного вещества , – масса растворённого вещества,   – масса растворителя . как правило, меньше, чем точность определения молекулярной массы в значительной степени зависит от точного определения , то криоскопический метод является более предпочтительным.

 Любая жидкость начинает замерзать при такой температуре, при которой давление её насыщенного пара становится равным давлению пара над твёрдым веществом. Температура кристаллизации растворителя из раствора всегда ниже, чем температура кристаллизации чистого растворителя.   – зависимость давления над твёрдым веществом, – давления пара над жидкостью. Установлено, что , - моляльная концентрация растворённого вещества,   - коэффициент пропорциональности. Это соотношение получается следующим образом. Уравнение Клауз-Клапа для растворителя в твёрдом и жидком состоянии. (1), , , численно равно понижению температуры замерзания раствора 1 моляльной концентрации. Измеренной   раствора определённой концентрации можно вычислить молекулярную массу растворённого вещества .

 Если раствор привести в контакт с чистым растворителем, через полупроницаемую мембрану способную пропускать только молекулы растворителя, то наблюдается самопроизвольный переход растворителя в раствор, это явление называется осмосом. Давление, с которым растворитель стремится перейти в раствор, называется осмотическим давлением. По величине это давление  равно тому давлению, которое нужно приложить к раствору, что бы прекратить переход растворителя в раствор (чтобы привести его в равновесие). Для разбавленных растворов неэлектролитов Ванд Гофф нашел .Осмотическое давление может иметь большие величины . Это давление, которое производили бы молекулы находящиеся в состоянии идеального газа и занимая при той же температуре V=V раствора. Осмотическое давление учитывается в технологических процессах переработки растительного и животного сырья.

Коллигативные свойства разбавленных растворов в  случае диссоциации

 Если величина свойства зависит от количества частиц растворённого вещества в растворе, то это приводит к увеличению числа частиц этого вещества в растворе и к увеличению числа частиц этого вещества в растворе и к увеличению величины свойства. Для вычисления свойств растворов , , , вводят поправочный множитель, называемый изотоническим коэффициентом i. Несколько меньше, что объясняется взаимным притяжением частиц образованных при диссоциации. Для вычисления коллигативных свойств растворов в случае диссоциации растворов вещества используют , – степень диссоциации,  – число образовавшихся при диссоциации молекул.

Закон распределения:

 Если в системе, состоящей из 2-ух несмешиваемых растворителей ввести 3-ее вещество которое способно растворить в обоих растворителях, то оно распределится между этими растворителями, то чтобы отношение его концентрации в этих растворителях при постоянной температуре оставалось величиной постоянной независящей от количества введённого 3 –го компонента. – коэффициент распределения, справедлив если растворы 3-го вещества в 1-ом и 2-ом растворителях можно считать разбавленными. Если растворы 3-го вещества в равновесных фазах нельзя считать идеальными, то константа распределения определяется как отношение активности 3-го вещества. Закон распределения легко получить из условий гетерогенного равновесия  , , . Если распределяемое вещество при растворении в 1-ом и 2-ом растворителях диссоциирует или ассоциирует, то закон распределения .Экстрагирование – метод извлечения растворённого вещества из раствора с помощью другого растворителя, который не смешивается и химически не реагирует с раствором, но растворять извлекаемое вещество в большем количестве, чем первый растворитель. Экстракция широко используется.

 Используя закон  распределения, можно рассчитать процесс экстрагирования. Пусть вещество подлежащее извлечению находится в растворе объёмом V в количестве, и пусть для извлечения его из раствора используют подходящий растворитель объёмом. Если к раствору объёмом V добавить растворитель и смесь хорошо перемешать до наступления равновесия, то часть растворённого вещества из раствора перейдёт в растворитель. Обозначим количество извлечённого вещества оставшегося в растворе, тогда его концентрация в этом растворе . Его концентрация в . Коэффициент распределения . Количество извлечённого вещества . Если отделить раствор с помощью делительной воронки, к оставшемуся раствору в котором извлечённого вещества добавить свежеприготовленного растворителя , то обозначим через количество растворённого вещества в растворе после второго экстрагирования. Будем иметь ; ; . Если экстрагировать n - раз , где - количество извлекаемого вещества, которое осталось в растворе V n-го после экстрагирования. Количество извлечённого вещества при этом определяется . Если экстрагировать 1 раз, но V , то количество экстрагированного вещества определяется . Эффективнее экстрагировать раз объемом V, чем один раз - .

Совершенные растворы

 Образуются в том  случае, если компоненты весьма  близки по своим физико-химическим свойствам (растворы оптических изомеров, расплавы близких по свойствам природных веществ (Fe и Ni)). Совершенные растворы, образованные без изменения объема и без теплового эффекта. По этой причине объем и высота бинарного совершенного раствора выражается уравнением: , здесь и - молярный V 1-ого и 2-ого компонентов, а и - молярные энтальпии этих компонентов в чистом виде ; . Парциальный молярный объем равен просто молярному объему ; т.к. то , это означает, что тенденция к образованию такого раствора определяется увеличением энтропии . В отличие от величин Н и V величины G и S преобр. совершенного раствора не аддитивны. Энтропия S определяется отношением: ;   - энтропии чистых компонентов относящихся к 1 молю, а – изменение энтропии при смешении компонентов. Изменение энтропии при смешении 1 и 2 компонента определяется: . Изменение энтропии при образовании 1 моля раствора . Изменение G при образовании 1 моля раствора . Т к и , то , то есть совершенный раствор образуется самопроизвольно при любых концентрациях, при любых соотношениях компонентов. Для любого компонента совершенного раствора хим. потенциал определяется : . Для обоих компонентов бинарного совершенного раствора при любых его концентрациях соблюдается закон Рауля  и . Давление пара над раствором ; . Как парциальное давление каждого компонента так и общее давление пара над раствором является линейной функцией состава.