Учебное пособие для модульно-рейтинговой технологии обучения Бийск
| Вид материала | Учебное пособие |
- Методические рекомендации по организации учебного процесса с использованием модульно-рейтинговой, 554.48kb.
- Я. В. Вакула Нефтегазовые технологии Учебное пособие, 2652.31kb.
- Учебное пособие «управление персоналом» для студентов заочного обучения специальности, 1516.37kb.
- М. Н. Машкин Информационные технологии Учебное пособие, 2701.91kb.
- Учебное пособие Уфа 2005 удк 338 (075. 8) Ббк, 1087.66kb.
- Учебный план как средство реализации принципов модульно-рейтинговой технологии обучения, 68.67kb.
- О. Д. Картавцева интенсивный курс обучения изобразительной грамоте учебное пособие, 780.71kb.
- Менеджмента качества положение о модульно-рейтинговой системе квалиметрии учебной деятельности, 1381.23kb.
- Учебное пособие 28365942 Москва 2008 ббк 66., 2986.28kb.
- Формирование профессиональной компетентности будущих специалистов в области вычислительной, 372.85kb.
Таблица 1.4 − Основные термины и определения
| Химические системы | Параметры системы |
| Фаза | Компоненты |
| Дисперсные системы | Золи |
| Мицеллы | Студни |
| Гели | Концентрация |
| Мольная доля вещества | Объемная доля вещества |
| Молярная концентрация вещества | Массовая доля вещества |
| Моляльная концентрация вещества | Молярная концентрация эквивалентов вещества |
| Тонкодисперсные системы | Грубодисперсные системы |
| Истинные растворы | Электролиты |
| Суспензии | Эмульсии |
| Пены | Кристаллогидраты |
| Гидраты | Растворимость |
| Сольваты | Степень диссоциации |
| Константа диссоциации | Константа основности |
| Ионное произведение воды | Водородный показатель |
| Гидроксильный показатель | Произведение растворимости |
| Константа кислотности | Активность ионов |
| Коэффициент активности | Ионная сила раствора |
| Буферные растворы | Гидролиз солей |
| Кислотно-основные буферные растворы | Ионный обмен |
| Поверхностная энергия | Адсорбция |
| Осмос | Осмотическое давление |
| Закон Рауля | Следствия из закона Рауля |
Подготовка к занятию:
1. Изучить материалы занятия в конспекте лекций и литературе [1− 5, 10].
2. Повторить вопросы из школьного курса:
− насыщенные и пересыщенные растворы;
− растворимые и нерастворимые вещества;
− растворимость;
− разбавленные и концентрированные растворы;
− качественный и количественный состав растворов.
3. Выучить основные термины и понятия (таблица 1.4, Приложение А).
4. Составить конспекты ответов на карточку к защите лабораторной работы.
5. Подготовиться к текущему тестовому опросу (Приложение Б).
Особая значимость лабораторных занятий при изучении модуля определяется тем, что экспериментальная часть является логическим завершением всех работ по модулю и позволяет не только подтвердить экспериментально ранее изученные базовые зависимости химических явлений, но и получить практические навыки работы с химической посудой, реактивами и оборудованием.
Хорошо успевающим студентам преподаватель может предложить проведение индивидуальной научно-исследовательской работы по теме, являющейся составной частью научной проблематики кафедры, и в случае ее успешного завершения студенту засчитывается максимальное количество баллов по экспериментальной части модуля.
1.7 Индивидуальное расчетное задание
Целью выполнения индивидуального расчетного задания (ИРЗ) является получение практических навыков анализа и расчета растворов, дисперсных систем, работы с учебной и справочной литературой, оформления текстовых документов.
Последовательность работы над выполнением ИРЗ:
Первый этап: рассмотрение физической сущности химического явления, анализ задания и всех имеющихся данных для его выполнения.
Второй этап: выбор соответствующей схемы расчета, что предполагает не только знание основных уравнений и законов, лежащих в рассматриваемом химическом явлении, но и умение находить оптимальное решение поставленной задачи.
Третий этап: расчет заданных характеристик химических явлений. Выполнение этого этапа следует начать с анализа и выбора метода расчета химического явления; при этом особое внимание следует уделить определению области применения того или иного метода расчета и сопоставлению ее с заданными условиями.
Четвертый этап: анализ полученных результатов и сопоставление их с имеющимися литературными данными.
Пятый этап: оформление пояснительной записки.
Пояснительная записка к ИРЗ оформляется на стандартных листах формата А4. Текстовые материалы оформляются, как правило, рукописным способом. Терминология и определения в записке должны быть едиными и соответствовать установленным стандартам, а при их отсутствии – общепринятым в научно-технической литературе. Сокращения слов в тексте и подписях, как правило, не допускаются, за исключением общепринятых сокращений.
Каждое индивидуальное расчетное задание должно быть аккуратно оформлено; для замечаний рецензента надо оставлять широкие поля; писать четко и ясно; номера условий задач переписывать в том порядке, в каком они указаны в задании. Индивидуальное расчетное задание состоит из следующих разделов:
а) Титульный лист. Содержит полное наименование образовательного учреждения, факультета, кафедры, тему модуля выполняемого расчетного задания, номер варианта, ФИО студента, номер группы, дата представления, ФИО преподавателя.
б) Содержание. Заключает в себе список разделов контрольной работы с указанием номеров страниц разделов работы.
в) Условные обозначения. Оформляются в виде таблицы, в которой содержится три колонки: наименование физической величины, условное обозначение и единица измерения.
г) Теоретическая часть. Описываются основные термины, определения, химические законы изучаемых тем; в тексте указывают ссылки в квадратных скобках на источник литературы, основные расчетные формулы, физические константы и другие справочные данные. Все иллюстрации (графики, схемы, чертежи и т.д.) именуются рисунками, которые так же, как и уравнения и таблицы, нумеруются. Подписи под рисунками и названиями таблиц должны быть краткими.
д) Практическая часть. Заключает в себе номера задач, их содержание, краткую запись исходных данных, искомые величины и ход решения задачи; если в ходе решения задачи используются справочные данные, то необходимо указывать ссылку на источник литературы; по окончании решения приводится результат вычислений в ответе задачи.
е) Литература. Список литературы, используемый при выполнении расчетного задания; в списке использованной литературы источники, на которые ссылаются в пояснительной записке, располагаются в порядке упоминания их в тексте или по алфавиту (по фамилии первого автора работы).
Несколько советов, которые могут оказаться полезными при решении индивидуальных расчетных задач:
а) внимательно прочтите текст задачи и представьте себе, что вы сами проделываете те реакции, которые в ней описаны; это позволит вам лучше понять ход решения задачи;
б) запишите сразу все уравнения реакций в том порядке, какой дан в задаче;
в) если вы не знаете, как записать уравнение реакции, не отказывайтесь от решения задачи сразу, прочтите ее еще раз внимательно, т.к. иногда в самом тексте задачи есть подсказка; если это не помогло, открывайте любой учебник или справочник по химии и ищите соответствующее уравнение; это может занять много времени, зато вы, скорее всего, запомните это уравнение надолго;
г) записав уравнения реакций, пронумеруйте их и при решении задачи делайте ссылки, например: «В соответствии с уравнением (1)...» или «из уравнения (2) следует...» и т.д.; это упорядочит ваши мысли и даст возможность экзаменатору проследить ход ваших рассуждений;
д) прежде чем приступить к расчетам, прикиньте ход решения в уме от начала до конца и подумайте, нет ли более рационального пути.
При выполнении индивидуальных расчетных заданий отвечать на контрольные вопросы нужно кратко, точно и ясно. Вот почему следует избегать рассуждений, не имеющих прямого отношения к вопросу. Но в то же время совершенно недопустимы односложные ответы, вроде «да», «нет», «можно», «нельзя». Ответ всегда должен быть кратко мотивирован, за исключением случаев, для которых по самому существу вопроса не требуется мотивировки, например, когда надо написать формулу и т.п. При решении задач в ответе обязательно должен быть приведен весь ход решения задачи и математические преобразования, графики должны быть выполнены на миллиметровой бумаге.
Выполненное индивидуальное расчетное задание представляется в институт. В случае успешного выполнения ИРЗ работа принимается к зачету и выставляются баллы. Если ИРЗ возвращают обратно на доработку, следует ознакомиться с рецензией на нее преподавателя, учесть все его замечания и исправить их. В случае повторного выполнения ИРЗ рецензент может добавить новые задания.
Допускается и рекомендуется выполнять ИРЗ с применением ЭВМ и использованием типовых программ.
Примеры решения задач и варианты ИРЗ приведены в методических рекомендациях [11].
1.8 Самостоятельная работа студентов
Изучение весьма нелегкого для студентов курса «Химия» требует грамотной постановки задач, логически выдержанного хода решений, анализа найденных результатов, т.е. постоянной работы на понимание.
Успешность обучения будет зависеть и от индивидуальных особенностей студентов, и от степени их подготовки к овладению данной системой знаний и умений, степени мотивации, интереса к изучаемой дисциплине, общих интеллектуальных умений, уровня и качества организации учебного процесса и т.д.
Предусмотреть, как пойдет познавательный процесс у каждого студента, невозможно, но известно необходимое условие, которое определяет его успешность – это целенаправленная, систематическая, планомерная самостоятельная работа студента.
Современная методика преподавания ориентирована, прежде всего, на выработку комплекса определенных умений, необходимых будущему специалисту, и умений не только узкоспециальных, но и фундаментальных, таких как например, умение учиться.
Так как выработка большинства умений возможна только при самостоятельной работе, то она по своей сути должна быть многогранной, так как одна тема или одно задание не могут способствовать выработке всего комплекса умений.
Самостоятельная работа в модульно-рейтинговой технологии обучения включена во все виды учебной работы и реализуется в виде совокупности приемов и средств, среди которых на первое место выдвигается самостоятельное изучение теоретического материала учебной программы модуля с последующим выполнением индивидуального задания.
В качестве основного методического материала при изучении модуля «Растворы. Дисперсные системы» рекомендуется использовать приведенные далее структурно-логические схемы, отвечающие системному анализу раздела.
1.9 Модульный экзамен
По завершении изучения модуля «Растворы. Дисперсные системы» студент сдает промежуточный (модульный) экзамен (ПЭ) (Приложение В). Полученные им баллы за все предыдущие и последующие контрольные точки умножаются на удельный вес каждого вида контроля, затем суммируются и составляют рейтинг студента по курсу «Химия». При получении достаточной суммы баллов за все контрольные точки их результаты могут засчитываться студенту как итоговый экзамен.
Модульный экзамен проводится в письменной форме. Содержание экзаменационных заданий включает четыре вопроса, соответствующих структуре модуля: три теоретических вопроса и одно практическое задание.
Необходимыми условиями допуска к сдаче ПЭ являются:
1) выполнение и защита студентом плана лабораторных занятий;
2) успешная защита индивидуального расчетного задания;
3) положительная оценка по тестам текущего контроля знаний.
2 РАСТВОРЫ
2.1 Цели изучения раздела
Успешное изучение учебного материала позволит:
− освоить основные представления о строении и свойствах растворов; законы, лежащие в основе процессов, протекающих в растворах;
− овладеть ключевыми понятиями: химические системы, растворы, растворимость, коллигативные свойства растворов, закон Рауля и следствия из него, осмос и осмотическое давление, электролитическая диссоциация, теории кислот и оснований, слабые и сильные электролиты, ионное произведение воды, водородный и гидроксильный показатели, кислотно-основные индикаторы, произведение растворимости, гидролиз солей, ионный обмен, буферные растворы.
2.2 Методические рекомендации по изучению материала
Структурно-логическая схема изучения главы «Растворы» представлена на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 − Структурно-логическая схема главы «Растворы»
При изучении раздела обратите внимание на основные законы, описывающие свойства идеальных и реальных растворов. Важное значение для протекания химических реакций в растворах имеют теория электролитической диссоциации С. Аррениуса, протонная и электронная теории кислот и оснований, уясните их основные положения. Постарайтесь запомнить основные представления о свойствах и характеристиках слабых и сильных электролитов. Выучите термины и определения.
2.3 Химические системы
2.3.1 Основные понятия
Система – вещество или совокупность веществ, находящихся во взаимодействии с окружающей средой, выделенных из нее реально существующими или воображаемыми поверхностями. Примерами системы могут быть различные объекты: газ в сосуде, раствор реагентов в колбе, кристалл вещества или даже мысленно выделенная часть этих объектов.
Системы бывают:
1) гомогенные − системы, состоящие их веществ, находящихся в одной фазе, в которых нет реальных поверхностей раздела, например, истинный раствор;
2) гетерогенные − системы, состоящие из веществ, находящихся в разных фазах и имеющих хотя бы одну поверхность раздела, например, насыщенный раствор с осадком.
Фаза – совокупность всех гомогенных частей системы, одинаковых по составу и по всем физическим и химическим свойствам (не зависящим от количества вещества) и отграниченных от других частей системы поверхностью раздела. Внутри одной фазы свойства могут изменяться непрерывно, но на поверхности раздела фаз свойства меняются скачком. Пример двухфазной системы – поверхность реки во время ледохода.
Компонентом называют вещество, которое может быть выделено из данной системы и количество которого можно менять (хотя бы в некоторых пределах) независимо от других. Число компонентов в системе равно числу веществ, в ней присутствующих, минус число связывающих эти вещества независимых уравнений.
Если в системы входят вещества или частицы, способные к химическому взаимодействию, то эти системы называются химическими системами.
Свойства системы разделяют на экстенсивные (суммирующиеся), например, общий объем, и интенсивные (выравнивающиеся) – давление, температура, концентрация и т.п.
Химические системы характеризуются определенными параметрами (давление, температура, объем, масса и концентрация) и существуют при определенных условиях.
Температура (T, t) − физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы, а также степень нагретости системы или среднюю кинетическую энергию движения молекул вещества. Системой единиц СИ допускается применение двух температурных шкал: термодинамической шкалы Кельвина и стоградусной шкалы Цельсия. В научных исследованиях абсолютная шкала температур по Цельсию 0С связана с температурой по Кельвину K соотношением:
. (2.1)Для перевода температур, выраженных по шкалам Фаренгейта (0F) и Реомюра (0R), в температуру по шкале Цельсия служат равенства:
; (2.2)
. (2.3)Давление (P) – физическая величина, характеризующая интенсивность нормальных (перпендикулярных к поверхности) сил, с которыми одно тело действует на поверхность другого (например, жидкость на стенки сосуда, газ в цилиндре двигателя на поршень):
, (2.4)где ∆F − сила, действующая по нормали к выделенной площадке в жидкости, Н;
∆ S − площадь, м2.
В международной системе (СИ) единицей измерения давления является Паскаль (Па), или
; 1атм = 760 мм. рт. ст. = 101325 Па. Объем (V) характеризует часть пространства, занимаемого веществом, и определяется энергией взаимодействия молекул между собой. Измеряют объем в [м3], [см3]. Используются специальные названия кубического дециметра (дм3) и кубического сантиметра (см3): литр (л) и миллилитр (мл).
Удельным объемом называется объем единицы веса:
, (2.5)где V − объем, м3;
m − масса вещества, кг.
Состав раствора может выражаться разными способами − как с помощью безразмерных единиц (долей или процентов), так и через размерные величины − концентрации.
Концентрация – отношение количества или массы вещества, содержащегося в системе, к объему или массе этой системы. Различают массовые и объемные концентрации. Применяют различные способы выражения концентрации. Согласно Международной системе единиц (СИ) к концентрации следует относить только массовую и молярную концентрации.
В химической практике наиболее употребимы следующие величины, выражающие содержание растворенного вещества в растворе:
1. Массовая доля () (ранее использовался термин «процентная концентрация») – это доля, которую составляет масса растворенного вещества (mв) от массы раствора (mр-ра):
, (2.6)где mв – масса растворенного вещества, кг;
mр-ра – масса раствора, кг.
2. Массовая доля в процентах (,%) – это выраженная в процентах доля, которую составляет масса растворенного вещества от массы раствора:
. (2.7)Масса раствора может быть выражена произведением плотности раствора на его объем:
(2.8)отсюда
. (2.9)Например, 4%-ный раствор означает: 4 г вещества содержится в 100 г раствора, или 4 г вещества содержится в 96 г растворителя.
3. Молярная концентрация (СМ) характеризует количество растворенного вещества (nв) в одном литре раствора:
[моль/л], (2.10)так как
(2.11)
, (2.12)где V – объем раствора, л;
МВ – молярная масса вещества, кг/моль.
Размерность моль/л сокращенно обозначается большой буквой М.
Например, запись: 0,1М НСl означает, что 0,1 моль НСl растворено в одном литре раствора.
2М – двумольный (двумолярный) раствор, 2 моль/л;
1М – одномольный (одномолярный) раствор, 1 моль/л;
0,1М – децимольный (децимолярный) раствор, 0,1 моль/л;
0,01М – сантимольный (сантимолярный раствор), 0,01 моль/л.
4. Молярная концентрация эквивалента вещества (СN, нормальная концентрация) – характеризует количество вещества эквивалентов (nэ), содержащееся в одном литре раствора:
[моль/л] , (2.13)так как
(2.14)
, (2.15)где fэ – фактор эквивалентности.
Размерность [моль·экв./л] сокращенно обозначается буквой н. Например, запись 0,1 н Н2SO4 означает, что 0,1 моль эквивалент серной кислоты содержится в литре раствора.
5. Моляльная концентрация (Сm) характеризует количество растворенного вещества, содержащееся в 1000 г растворителя (mр-ля):
[моль/1000 г], (2.16)или
[моль/1000 г] . (2.17)6. Титр (Т) характеризует массу вещества, содержащуюся в одном миллилитре раствора:
[г/мл] . (2.18)7. Мольная доля (х) характеризует долю, которую составляет количество растворенного вещества от суммы количества веществ всех компонентов раствора:
, (2.19)где nB – количество молей растворенного вещества;
nр-ля – количество молей растворителя.
8. Объемная доля вещества – отношение объема компонента, содержащегося в системе, к общему объему системы; выражается в долях единицы, процентах:
, (2.20)где
− объем растворенного вещества;
− объем раствора.2.3.2 Примеры решения задач
Задача 1
Вычислите: а) массовую долю в процентах (ω, %); б) молярную концентрацию (См); в) молярную концентрацию эквивалента вещества (СN); г) моляльную концентрацию (Сm) раствора ортофосфорной кислоты Н3Р04, полученного при растворении 18 г кислоты в 282 см3 воды, если плотность его 1,031 г/см3. Чему равен титр (Т) этого раствора?
| Дано: m(Н3РО4) = 18 г ; V(Н2О) = 282 см3 ; ρ = 1,031 г/см3 | Решение: а) концентрация массовая доля в процентах показывает число граммов (единиц массы) вещества, содержащееся |
| Найти: ω,%, См, СN,Сm , Т | в 100 г (единиц массы) раствора. Так как массу 282 см3 воды можно принять равной 282 г, то масса полученного раствора 18 + 282 = 300 г и следовательно: |
= 18 ∙ 100/300 = 6 (%);б) молярная концентрация показывает число молей растворенного вещества, содержащихся в 1 л раствора. Масса 1 л раствора:
mр-ра = V∙ρ = 1000 ∙ 1,031 = 1031 (г).
Определяем массу вещества, содержащегося в одном литре раствора, составляем пропорцию:
300 — 18
1031 — х ,
х = 1031∙18/300 = 61,86 (г).
Молярную концентрацию раствора получим делением числа граммов Н3Р04 в 1 л раствора на молекулярную массу Н3РО4:
= 61,86/97,99 = 0,63 (М);в) молярная концентрация эквивалента вещества, или нормальность, показывает число молей эквивалентов растворенного вещества, содержащихся в 1 л раствора. Так как 1 моль эквивалент: Mэ(Н 3РО4) = fэ∙ Mв(Н 3РО4 ) = 97,99/3 = 32,66 г, то:
= 61,86/32,66 = 1,89 (н).г) моляльная концентрация показывает число грамм-молекул растворенного вещества, содержащихся в 1000 г растворителя.
Отсюда:
= 18 ∙1000/(97,99 ∙ 282) = 0,65 (моль/1000 г);д) титром раствора называется количество граммов растворенного вещества в 1 см3 (мл) раствора. Так как в 1 л раствора содержится 61,86 г кислоты, то:
= 61,86/1000 = 0,06186 (г/см3).Зная молярную концентрацию эквивалента вещества и молярную массу эквивалента растворенного вещества, титр легко найти по формуле:
.Ответ: ω,% = 6 %, См = 0,63 М, СN = 1,89 н, Сm = 0,65 моль/1000·г, Т = 0,06186 г/см3.
Задача 2
К 1 л 10%-ного раствора КОН (ρ1 = 1,092 г/см3) прибавили 0,5 л 5%-ного раствора КОН (ρ2 = 1,045 г/см3). Объем смеси довели до 2 л. Вычислите молярную концентрацию полученного раствора.
| Дано: V1 = 1 л , ω1,% = 10 %; ρ1 = 1,092 г/см3; V2 = 0,5 л; ω2% = 5 %; ρ2 = 1,045 г/ см3; V3 = 2 л | Решение: Масса одного литра 10%-ного раствора КОН равна 1092 г. В этом растворе содержится КОН 1092∙10/100 = 109,2 (г). |
| Найти: СМ |
Масса 0,5 л 5%-ного раствора равна 1045∙0,5 = 522,5 г. В растворе содержится КОН:
522,5∙5/100 = 26,125 (г).
В общем объеме полученного раствора (2 л) масса КОН составляет 109,2 +26,125 = 135,325 г. Отсюда молярность этого раствора:
См = 135,325/2∙56,1 = 1,2 М,
где 56,1 – молярная масса КОН.
Ответ: СМ = 1,2 М.
Задача 3
Какой объем 96%-ной кислоты, плотность которой 1,84 г/см3, потребуется для приготовления 3 л 0,4 н раствора?
| Дано: ω1% = 96 %; ρ = 1,84 г/см3 ; V2 = 3 л; СN = 0,4 н | Решение: Молярная масса эквивалента H2SO4 = = М/2 = 98,08/ 2 = 49,04 г. Для приготовления 3 л 0,4 н раствора требуется 49,04 ∙ 0,4 ∙ 3 = = 58,848 г H 2S04. Масса 1 см3 96%-ной кислоты 1,84 г. В этом растворе содержится Н2SO4: |
| Найти: V1 |
1,84 ∙ 96/100 = 1,766 (г).
Следовательно, для приготовления 3 л 0,4 н раствора надо взять этой кислоты:
58,848 /1,766 = 33,32 (см3) .
Ответ: V1 = 33.32 см3.
2.3.3 Вопросы для самоконтроля
1. Что называют системой и химической системой?
2. Приведите определения фазы и компонентов системы.
3. Чему равняется число компонентов в химических системах?
4. Как классифицируются химические системы в зависимости от количества фаз?
5. Какими параметрами характеризуются химические системы?
6. Дайте понятия температуры, давления, объема, удельного объема и концентрации.
7. Охарактеризуйте способы выражения состава растворов.
8. Как вы думаете, в чем состоит преимущество использования молярных концентраций растворов?
9. Какие еще встречаются понятия концентраций помимо понятия концентрация раствора? В чем их смысл? Что общего?
10. Массовая доля сахара (сахарозы) в сиропе для варенья должна составлять 75 %. Сколько сахара и воды следует взять для приготовления 3 кг сиропа?
11. Требуется приготовить 3 л 10%-го раствора хлорида натрия для засолки огурцов. Сколько поваренной соли и воды следует взять?
12. Вы купили в магазине уксус с содержанием уксусной кислоты 9 %. Для заправки овощных салатов или добавки к пельменям рекомендуется использовать 4%-ый уксус. Как его приготовить?
2.4 Классификация растворов
2.4.1 Общие положения
Очень многие химические реакции, в том числе технические и жизненно важные, протекают в жидкой фазе.
Растворы широко применяются в различных сферах деятельности человека. Они имеют большое значение для живых организмов. Человек, животные и растения усваивают питательные вещества в виде растворов. Растворами являются физиологические жидкости: плазма крови, лимфа, желудочный сок и др. Многие медицинские препараты являются растворами различных химических веществ в воде или в спирте.
Природная вода является раствором. В различных производственных и биологических процессах большую роль играют растворы электролитов. Свойства этих растворов объясняет теория электролитической диссоциации. Знание теории электролитической диссоциации является основой для изучения свойств неорганических и органических соединений и глубокого понимания механизмов химических реакций в растворах.
Растворами называют гомогенные многокомпонентные системы, состоящие из двух или нескольких компонентов и продуктов их взаимодействия; состав компонентов можно изменять в определенных пределах без нарушения однородности.
Сравните определение растворов, данное Д.И. Менделеевым: раствор − это сложная равновесная химическая система, образованная растворителем, растворенным веществом и продуктами их взаимодействия.
Растворителем называется компонент, концентрация которого выше концентрации других компонентов, остальные составляющие компоненты раствора – растворенными веществами.
Раствор – это не механическая смесь, поскольку при растворении наблюдаются объемные и энергетические эффекты. Раствор отличается от механической смеси гомогенностью, а от химического соединения:
а) переменным составом – от нуля до предела насыщения;
б) тем, что изменение свойств растворителя и растворенного вещества не носит радикальный характер.
Различают истинные и коллоидные растворы:
− истинные растворы, в которых размер частиц меньше 10-9 м, т.е. представляют размеры атомов или молекул;
− коллоидные растворы, у которых размер частиц в пределах от 10-7 до 10-9 м.
По типу взятого растворителя жидкие растворы могут быть водные и неводные. Водные растворы – это растворы, в которых растворителем является вода.
По агрегатному состоянию растворы могут быть газообразными (воздух), жидкими (морская вода), твердыми (многие сплавы металлов).
Растворы делятся на электролиты и неэлектролиты. Вещества, которые в растворе или расплаве полностью или частично распадаются на ионы и проводят электрический ток, называются электролитами. Неэлектролиты – это вещества, водные растворы и расплавы которых не проводят электрический ток. Они содержат ковалентные неполярные или малополярные связи, которые не распадаются на ионы.
Электрический ток не проводят газы, твердые вещества (неметаллы), органические соединения (сахароза, бензин, спирт).
Растворы могут быть реальными и идеальными. Идеальный раствор – это раствор, в котором силы всех межмолекулярных взаимодействий молекул растворителя и растворенных веществ одинаковы. На свойства такого раствора не влияет, находится ли молекула некоторого компонента в окружении собственных молекул или молекул других компонентов. Идеальный раствор образуется без выделения или поглощения теплоты. При образовании идеального раствора его объем в точности равен сумме объемов смешиваемых компонентов. Частицы каждого компонента в идеальном растворе ведут себя независимо от присутствия частиц других компонентов. Идеальным называется раствор, в котором не происходит химической реакции между компонентами, а силы межмолекулярного взаимодействия между взаимодействующими компонентами одинаковы. Идеальными при любых концентрациях являются растворы, компоненты которых близки по физическим и химическим свойствам (оптические изомеры, гомологи и т.п.) и образование которых не сопровождается объемными и тепловыми эффектами.
2.4.2 Вопросы для самоконтроля
1. Определите понятия растворов, растворителя и растворенного вещества.
2. Чем отличаются растворы от химических соединений и от механических смесей?
3. Как классифицируются растворы в зависимости от размера растворенных частиц и по агрегатному состоянию?
4. Какие растворы называют растворами электролитов и неэлектролитов?
5. Чем отличаются идеальные растворы от неидеальных?
2.5 Растворимость
2.5.1 Общие положения
Растворимостью называется способность вещества растворяться в том или ином растворителе.
Растворение – это самопроизвольный процесс, заключающийся во взаимодействии растворенного вещества с молекулами растворителя.
Насыщенным называется раствор, который находится в динамическом равновесии с избытком растворенного вещества: скорости процесса растворения и кристаллизации становятся равными, и не происходит дальнейшего растворения вещества.
Перенасыщенный раствор − раствор, содержащий больше вещества, чем насыщенный. Перенасыщенные растворы очень неустойчивы. Помешивание, встряхивание, добавление крупинок соли может вызвать кристаллизацию избытка соли и переход в насыщенное устойчивое состояние.
Ненасыщенный раствор − раствор, содержащий меньше растворенного вещества, чем насыщенный раствор.
Растворы с низким содержанием растворенного вещества называются разбавленными, с высоким − концентрированными.
Мерой растворимости вещества при данных условиях служит содержание его в насыщенном растворе. Растворимость (коэффициент растворимости) является качественной характеристикой растворимости и приводится в справочниках в граммах растворенного вещества на 100 г растворителя. На различной растворимости веществ основан один из способов их очистки – перекристаллизация. Очистка сводится к растворению загрязненного вещества в подходящем растворителе при повышенной температуре и последующему выделению кристаллов очищаемого вещества из пересыщенного раствора при более низкой температуре (рисунок 2.1).
Рисунок 2.1 − Растворимость некоторых солей
Растворимость для различных веществ колеблется в значительных пределах и зависит от природы растворяемого вещества и растворителя, от взаимодействия частиц растворенного вещества между собой и с молекулами растворителя, а также от внешних условий (температуры и давления).
2.5.1.1 Природа растворяемого вещества
В таблицах растворимости (Приложение Г) способность кристаллических веществ к растворению в воде обозначается буквами. Буквой Р обозначены соли, чья растворимость превышает 1 г на 100 г Н2О. Буквой М обозначены соли, растворимость на 100 г воды которых находится в интервале от 0,1 до 1 г. Буквой Н обозначены соли, растворимость которых меньше 0,1 г на 100 г воды при комнатной температуре.
2.5.1.2 Природа растворителя
При образовании раствора связи между частицами каждого из компонентов заменяются связями между частицами разных компонентов. Чтобы новые связи могли образоваться, компоненты раствора должны иметь однотипные связи, т.е. быть одной природы. Поэтому ионные вещества хорошо растворяются в полярных растворителях и плохо в неполярных, а молекулярные вещества − наоборот.
Некоторые закономерности растворимости различных веществ:
а) подобное растворяется в подобном; неполярные вещества (кислород, галогены) хорошо растворяются в неполярных растворителях, в воде – плохо; в воде хорошо растворяются полярные вещества;