Способы выражения концентраций растворов. Правила приготовления растворов

Размещено на http://www.allbest.ru

ГОУ ВПО Сургутский государственный университет ХМАО-Югры

Медицинский институт

Факультет последипломного образования

Кафедра кардиологии

РЕФЕРАТ

на тему:

Растворы. Способы выражения концентраций растворов. Правила приготовления растворов

Работу выполнила

Южакова Анастасия Геннадьевна

Работу проверила

доцент, к.м.н. Ефимова Лариса Петровна

Сургут, 2013



СОДЕРЖАНИЕ

Растворы

Классификация растворов и растворителей

Образование растворов

Способы выражения концентрации раствора

Техника приготовления растворов

Список литературы



РАСТВОРЫ

Растворы - это гомогенные смеси, состоящие из нескольких компонентов (минимум из двух), каждый из которых распределен по всему объему раствора в виде отдельных атомов, молекул, ионов или в виде групп из небольшого числа этих частиц. Состав растворов может непрерывно меняться в границах, определяемых взаимной растворимостью веществ, т.е. растворы не подчиняются закону постоянства состава. Таким образом, в этих определениях подчеркиваются два основных признака растворов (и электролитов, и неэлектролитов): их гомогенность и переменный состав.

От химических соединений растворы отличают характер и величины энергии связи между частицами растворенного вещества и растворителя. Если химические соединения образуются за счет валентных связей атомов, то растворы образуются за счет слабых межмолекулярных (Ван-дер-Ваальсовых) сил. Эти силы действуют как между молекулами одного и того же компонента, так и между молекулами разных компонентов. Существенное значение могут иметь и водородные связи.

Общими признаками растворов являются самопроизвольность образования их при постоянных температуре и давлении и устойчивость их как термодинамических систем (ДG < 0).

Растворы могут существовать в жидком, твердом, газообразном состояниях.

Число компонентов в растворе не может быть меньше двух. 

Обычно компонент, который в данных условиях находится в том же агрегатном состоянии, что и образующийся раствор, считают растворителем, остальные составляющие раствора - растворенными веществами. В случае одинакового агрегатного состояния компонентов растворителем считают тот компонент, который преобладает в растворе.

В зависимости от размеров частиц растворы делятся на истинные и коллоидные.

В истинных растворах (часто называемых просто растворами) растворенное вещество диспергировано до атомного или молекулярного уровня, частицы растворенного вещества не видимы ни визуально, ни под микроскопом, свободно передвигаются в среде растворителя. Частицы растворенного вещества имеют размеры, обычные для молекул и ионов и не превышают 1 нм (1·10?9 м).

Истинные растворы - термодинамически устойчивые системы, неограниченно стабильные во времени.

Истинные растворы делятся на идеальные разбавленные растворы, идеальные концентрированные и неидеальные (реальные) растворы.

Если для газа условием идеальности является отсутствие сил взаимодействия между молекулами, то для раствора условием идеальности является однообразие силы взаимодействия между молекулами компонентов, образующих раствор.

К идеальным разбавленным растворам относятся растворы с концентрацией меньше 1 моль на 1000 г растворителя.

Идеальные концентрированные растворы образуют вещества, близкие по физическим и химическим свойствам; между молекулами компонентов не происходит каких-либо взаимодействий химического характера. Образование таких растворов не сопровождается тепловыми эффектами или изменением объема. Как правило, свойствами идеальных концентрированных растворов обладают растворы изотопов данного элемента, смеси гомологов, оптических изомеров.

Реальными называются растворы, которые не подчиняются законам идеальных растворов. Обычно они составлены из компонентов с различными свойствами, строением молекул и силами взаимодействия между молекулами компонентов. Образование таких растворов сопровождается изменением объема и тепловыми эффектами. С уменьшением концентрации реального раствора его свойства приближаются к свойствам идеального раствора.

Коллоидный раствор -- это гетерогенная дисперсионная система, в которой частицы растворенного вещества обладают ультрамикроскопической (коллоидной) степенью дробления. Размер частиц дисперсной фазы составляет 1--100 нм, частицы в таких растворах можно обнаружить при помощи ультрамикроскопа (см. эффект Тиндаля).

КЛАССИФИКАЦИЯ РАСТВОРОВ И РАСТВОРИТЕЛЕЙ

Растворы веществ с молярной массой меньше 5000 г/моль называются растворами низкомолекулярных соединений (НМС), а растворы веществ с молярной массой больше 5000 г/моль - растворами высокомолекулярных соединений (ВМС).

По наличию или отсутствию электролитической диссоциации растворы НМС подразделяют на два класса - растворы электролитов и неэлектролитов.

Растворы электролитов - растворы диссоциирующих на ионы солей, кислот, оснований, амфолитов. Например, растворы KNО3, HCl, КОН, Аl(ОН)3 , глицина.

Электрическая проводимость растворов электролитов выше, чем растворителя.

Растворы неэлектролитов - растворы веществ, практически не диссоциирующих в воде. Например, растворы сахарозы, глюкозы, мочевины. Электрическая проводимость растворов неэлектролитов мало отличается от растворителя.

Растворы НМС (электролитов и неэлектролитов) называются истинными.

Большинство ВМС - полимеры, молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок или мономерных звеньев, соединенных между собой химическими связями. Растворы ВМС называются растворами полиэлектролитов.

К полиэлектролитам относятся поликислоты (гепарин, полиадениловая кислота, полиаспарагиновая кислота и др.), полиоснования (полилизин), полиамфолиты (белки, нуклеиновые кислоты).

В зависимости от степени насыщения растворенным веществом различают насыщенные, ненасыщенные и пересыщенные растворы.

Насыщенный раствор содержит максимальное количество вещества, которое может растворяться в данном количестве растворителя при определенных условиях. Насыщенный раствор находится в равновесии с избытком растворяемого вещества. При этом данное равновесие является динамическим: в единицу времени столько частиц выпадает в осадок, сколько их переходит в раствор.

Концентрация насыщенного раствора того или иного вещества при неизменных условиях есть величина постоянная. Если в насыщенный раствор внести какое-то новое количество растворяемого вещества, то ровно столько, сколько внесли, выпадает в осадок. Концентрация насыщенного раствора является мерой растворимости вещества при данных условиях. Очень часто растворимость выражают числом граммов растворенного вещества, которое содержится в 100 г раствора или же в 100 г растворителя. Для насыщенного раствора при постоянной температуре mр=const, mрв=макс (mр--масса раствора, mрв--масса растворенного вещества).

Если при данных условиях не достигнута концентрация насыщенного раствора, то такой раствор называют ненасыщенным.

Ненасыщенный раствор всегда содержит меньшее количество вещества, чем насыщенный. Если в него вносят новые количества растворяемого вещества, то растворение продолжается. Для ненасыщенного раствора при постоянной температуре mр=const, mрв<макс.

Иногда, например при медленном охлаждении, в растворе можно получить большую концентрацию, чем та, которая отвечает насыщенному раствору. Такие растворы называют пересыщенными. Для них характерна неустойчивость. Они не могут существовать при наличии даже одного кристалла растворенного вещества, а иногда просто при встряхивании пересыщенные растворы переходят в насыщенные. Для пересыщенного раствора при постоянной температуре mp=const, mрв>макс.

При характеристике раствора часто используют термины концентрированный раствор и разбавленный раствор.

Концентрированный раствор содержит значительные количества растворенного вещества в отличие от растворов с малым количеством растворенного вещества, называемых разбавленными. Концентрация разбавленных растворов сильно отличается от растворимости данного вещества.

При классификации растворителей прежде всего выделяют характер их участия в процессе кислотно-основного взаимодействия. По этому признаку выделяют апротонные и протолитические растворители.

Апротонные растворители представляют собой химические соединения инертного характера. Их молекулы не ионизированы. Они практически не отдают и не присоединяют протоны. Кислотно-основное равновесие в этих растворителях осуществляется почти полностью без их участия. К ним относятся углеводороды, например гексан, бензол и их галогенопроизводные, например хлороформ, тетрахлорид углерода и др.

К протолитическим растворителям относятся такие, молекулы которых способны отдавать или присоединять протоны. Эти растворители принимают участие в кислотно-основном взаимодействии. Среди них выделяют три группы: протогенные (кислые), протофильные (основные) и амфипротные.

Протогенные растворители способны к отдаче протона. Сюда относятся жидкие галогеноводороды (НС1, НВг), серная кислота, безводная муравьиная, уксусная и др. В этих растворителях уменьшается число веществ, проявляющих кислые свойства.

Протофильные растворители способны принимать протоны. К ним относятся жидкий аммиак, пиридин, гидразин и др. В этих растворителях увеличивается число веществ, проявляющих кислые свойства. Например, гуанидин является основанием в водной среде, а в жидком аммиаке ведет себя как кислота.

Амфипротные растворители способны как отдавать, так и присоединять протоны. К ним относятся вода, спирты, кетоны, нитрилы и др.

ОБРАЗОВАНИЕ РАСТВОРОВ

Образование раствора является сложным физико-химическим процессом. Процесс растворения всегда сопровождается увеличением энтропии системы; при образовании растворов часто имеет место выделение либо поглощение теплоты. Теория растворов должна объяснять все эти явления.

Исторически сложились два подхода к образованию растворов - физическая теория, основы которой были заложены в XIX веке, и химическая, одним из основоположников которой был Д.И. Менделеев. 

Физическая теория растворов рассматривает процесс растворения как распределение частиц растворенного вещества между частицами растворителя, предполагая отсутствие какого-либо взаимодействия между ними. Единственной движущей силой такого процесса является увеличение энтропии системы ДS; какие-либо тепловые или объемные эффекты при растворении отсутствуют (ДН = 0, ДV = 0; такие растворы принято называть идеальными).

 Химическая теория рассматривает процесс растворения как образование смеси неустойчивых химических соединений переменного состава, сопровождающееся тепловым эффектом и изменением объема системы (контракцией), что часто приводит к резкому изменению свойств растворенного вещества.

Современная термодинамика растворов основана на синтезе этих двух подходов.

В общем случае при растворении происходит изменение свойств и растворителя, и растворенного вещества, что обусловлено взаимодействием частиц между собой по различным типам взаимодействия: Ван-дер-Ваальсового (во всех случаях), ион-дипольного (в растворах электролитов в полярных растворителях), специфических взаимодействий (образование водородных или донорно-акцепторных связей). Учет всех этих взаимодействий представляет собой очень сложную задачу. Очевидно, что чем больше концентрация раствора, тем интенсивнее взаимодействие частиц, тем сложнее структура раствора. Поэтому количественная теория разработана только для идеальных растворов, к которым можно отнести газовые растворы и растворы неполярных жидкостей, в которых энергия взаимодействия разнородных частиц EA-B близка к энергиям взаимодействия одинаковых частиц EA-A и EB-B. 

Концентрация раствора - содержание растворенного вещества в виде массы, объема или количества в единице массы или объема раствора (растворителя) называется.

Различают массовые и объемные концентрации. В аналитической химии применяют и первые, и вторые.

СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРА

Процентная концентрация по массе (%) показывает содержание растворенного вещества в г (кг) в 100 г (кг) раствора и рассчитывается по формуле:

С(%) = ,

где mp - масса раствора, в котором содержится масса вещества (mв).

Процентная концентрация по объему (%) - показывает содержание вещества в см3 в 100 см3 раствора:

С (%) = ,

где Vp- объем раствора, содержащего объем вещества (Vв).

1 см3 = 1 мл, 1 дм3 = 1л

Массообъемная процентная концентрация (%) - показывает содержание вещества в г (кг) в 100 см3 (дм3) раствора:

С (%) = ,

где Vp- объем раствора, содержащий массу вещества (mв).

Зная массу раствора, можно рассчитать его объем и, наоборот, по объему раствора рассчитать его массу:

mp = сVp,

где с - плотность раствора (г/см3)/

Молярная концентрация (М) -- число молей растворенного вещества в 1 дм3 раствора:

М (моль/л) = = ,

где Мв -- молярная масса вещества, г/моль, Vp - объем раствора в мл.

Нормальная концентрация (N)-- число молей эквивалентов растворенного вещества в 1 дм3раствора:

N (моль. экв/л) = ,

где Эв -- эквивалентная масса вещества, г/моль, Vp - объем раствора в мл.

Эквивалентом называется некая реальная или условная частица, которая может присоединять, высвобождать или быть каким-либо другим образцом эквивалента одному иону водорода в кислотно-основных реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях.

Фактор эквивалентности (f) -- это число, обозначающее, какая доля реальной частицы вещества эквивалентна одному иону водорода в данной кислотно-основной реакции или одному электрону в данной реакции окисления -- восстановления.

Фактор эквивалентности и эквивалент данного вещества являются не постоянными величинами, а зависят от стехиометрии реакции, в которой они принимают участие.

Молярной массой эквивалента вещества Эв (эквивалентной массой) называют массу одного моля эквивалентов этого вещества, равную произведению фактора эквивалентности на молярную массу вещества.

Зная нормальность раствора, можно рассчитать молярность, и наоборот:

M = N или М = N*f.

Моляльная концентрация (m) - число моль вещества растворенное в 1000 г растворителя:

m (моль /1000) = ,

где mв - масса растворенного вещества в г,

mр-ль - масса растворителя в г,

Мв -молярная масса вещества.

Титр раствора (Т) - число грамм вещества, содержащееся в 1 мл раствора.

Т (г/мл) =

где mв - масса растворенного вещества в г, Vр - объем раствора в мл.

Применимость способов выражения концентрации растворов, их свойства

В связи с тем, что моляльность, массовая доля, мольная доля не включают в себя значения объёмов, концентрация таких растворов остаётся неизменной при изменении температуры.

Молярность, объёмная доля, титр, нормальность изменяются при изменении температуры, так как при этом изменяется плотность растворов. Именно моляльность используется в формулах повышения температуры кипения и понижения температуры замерзания растворов.

Разные виды выражения концентрации растворов применяются в разных сферах деятельности, в соответствии с удобством применения и приготовления растворов заданных концентраций

концентрация раствор молярность

ТЕХНИКА ПРИГОТОВЛЕНИЯ РАСТВОРОВ

Независимо от того, какие приготовляют растворы, применять следует только чистые растворители. Если растворителем служит вода, то можно применять только дистиллированную или деминерализованную воду, а в отдельных случаях даже бидистиллят или специально очищенную дистиллированную воду.

Предварительно подготавливают соответствующей емкости посуду (см. ниже), в которой будут готовить и хранить получаемый раствор. Посуда должна быть чистой. Если есть опасение, что водный раствор может взаимодействовать с материалом посуды, то посуду внутри следует покрыть церезином, парафином или другими химически стойкими веществами.

Пример. Если нужно приготовить I л какого-то раствора, то для растворения следует взять посуду емкостью не больше 1,5 л. Если готовят 10 л раствора, то бутыль должна быть емкостью не больше 12--13 л.

Перед приготовлением растворов нужно подготовить по возможности два одинаковых сосуда: один -- для растворения, а другой -- для хранения раствора. Может случиться, что раствор нужно будет отфильтровывать от какого-либо осадка или примеси, не растворившейся в данных условиях.

Вымытый сосуд полезно предварительно проградуировать (рис. 347). Это особенно касается бутылей большой емкости. Градуирование проводят следующим образом: мерным цилиндром отмеривают 1 л воды и переливают ее в бутыль. На стенке бутыли восковым карандашом проводят черту, совпадающую с уровнем воды в бутыли, и ставят цифру 1. Затем наливают второй литр воды и уровень отмечают цифрой 2, Так проделывают до тех пор, пока бутыль не будет заполнена до плеча. Расстояние между цифрами, обозначающими целые литры, можно разделить пополам более короткой чертой. Каждая такая черта будет соответствовать 0,5 л.

Для растворения следует применять по возможности чистые вещества. Готовые растворы обязательно проверяют на содержание нужного вещества и, если это будет необходимо, поправляют растворы, т. е. добавляют в них недостающее количество вещества или воды.

Нужно принимать меры для защиты приготовленных растворов от попадания в них пыли или газов, с которыми могут реагировать некоторые растворы. Так, Щелочи следует защищать от двуокиси углерода, для этого бутыль с щелочью снабжают хлоркальциевой трубкой, заполненной натронной щелочью или аскаритом.

Рис. 1. Градуированная бутыль. 

Рис. 2. Приспособление для хранения растворов в атмосфере двуокиси углерода: 1-- стеклянное волокно; 2 --мрамор; 3- раствор соляной кислоты.

Как во время приготовления растворов, так и при их хранении бутыли или другая посуда обязательно должны быть закрыты предварительно подобранными пробками.

При особо точных и ответственных анализах следует обязательно принимать во внимание возможность выщелачивания стекла и применять, если это допустимо, кварцевую посуду или такую, стекло которой не содержало бы искомый элемент. Так, неизбежна ошибка при определении бора, цинка, алюминия, свинца и некоторых других элементов в посуде из стекла, содержащего эти элементы.

В некоторых случаях растворы следует хранить в атмосфере инертного газа, как азот, или в атмосфере двуокиси углерода. Для этого существуют специальные устройства или особые бюретки, приспособленные для каждого случая титрования.

Для хранения растворов в атмосфере двуокиси углерода в бутыль с раствором вставляют на пробке прибор, изображенный на рис. 348. В среднюю, расширенную, часть его насыпают куски мрамора среднего размера (как для аппарата Киппа), верхний шар заполняют стеклянным волокном. Через боковую воронку в прибор наливают раствор соляной кислоты, разбавленной 1 :2. Если из бутыли через тубус выливать жидкость, то над уровнем жидкости создается вакуум, и раствор соляной кислоты перемещается в средний шар. В результате начинается реакция с мрамором и образовавшаяся двуокись углерода поступает в бутыль. Когда в бутыли создается небольшое давление, соляная кислота переместится в нижний шар и выделение газа прекратится.

Щелочные растворы нельзя оставлять надолго в фарфоровой и особенно -- в стеклянной посуде. Если приходится их оставлять, то необходимо вначале нейтрализовать растворы, потом немного подкислить и хранить только подкисленные растворы. При этом растворы лучше оставлять в фарфоровой посуде, а не в стеклянной.

Алгоритм приготовления приблизительного раствора соли

1. Рассчитать массу соли с точностью до десятых долей грамма, объем воды с точностью до целых миллилитров.

2. Взять навеску соли на технохимических весах точностью до десятых долей грамма.

3. Отмерить рассчитанное количество воды мерным цилиндром.

4. Растворить соль в воде:

a) насыпать соль в стакан или колбу;

b) добавить примерно половину отмеренного количества воды, энергично перемешать до полного растворения соли (если соль не растворяется, раствор подогреть);

c) добавить остальное количество воды, тщательно перемешать.

5. Перелить раствор в посуду для хранения (если раствор получился мутным, то отфильтровать его через складчатый фильтр).

6. Подписать склянку с раствором или наклеить этикетку.

Алгоритм приготовления приблизительного раствора кислоты

1. Рассчитать объемы концентрированной кислоты и воды с точностью до целых миллилитров.

2. Отмерить рассчитанное количество воды мерным цилиндром и перелить в колбу для приготовления раствора.

3. Отмерить рассчитанное количество кислоты мерным цилиндром и тонкой струйкой, при постоянном перемешивании, добавить в воду.

4. Остудить полученный раствор и перелить в бутыль для хранения, наклеить этикетку.

Алгоритм приготовления приблизительного раствора щёлочи

1. Рассчитать массу щёлочи и объем воды (с такой же точностью, как при приготовлении раствора соли).

2. Взять навеску щёлочи в фарфоровой чашке (на 2-3% больше рассчитанной) на технохимических весах с точностью до десятых долей грамма.

3. Отмерить рассчитанное количество воды мерным цилиндром.

4. В вытяжном шкафу растворить щёлочь в фарфоровой чашке или стакане:

a) прилить небольшое количество воды (примерно в 1,5 - 2 раза больше массы щёлочи);

b) помешивая стеклянной палочкой, добиться растворения щёлочи;

c) дать полученному раствору остыть;

d) осторожно слить остывший раствор щёлочи в другой сосуд, оставив осадок на дне фарфоровой чашки;

e) прилить оставшуюся воду, тщательно перемешать.

5. Оформить этикетку.

Алгоритм приготовления точного раствора по точно взятой навеске

Рассчитать массу растворенного вещества.

2. Взять точную навеску вещества на аналитических весах.

3. Точную навеску вещества количественно перенести в мерную колбу нужного объема:

a) перенести навеску через чистую, сухую воронку;

b) обмыть тару из-под навески, воронку, носик воронки, горло мерной колбы (промывные воды не должны занимать более 1/2 объема мерной колбы).

4. Содержимое колбы перемешать до полного растворения навески.

5. Довести уровень воды в мерной колбе до метки на горле.

6. Закрыть колбу пробкой, раствор тщательно перемешать путем переворачивания и встряхивания колбы (10 - 12 раз).

7. Раствор перелить в колбу для хранения, оформить этикетку.

Приготовление раствора из фиксанала (ампула, содержащая строго определенное количество вещества)

В мерную колбу емкостью 1 литр вставляют чистую воронку с бойком. На узкую часть трубки воронки надевают резиновое кольцо.

С ампулы фиксанала удаляют этикетку и надписи, моют дистиллированной водой и вставляют в воронку так, чтобы тонкостенное, втянутое внутрь дно ампулы касалось острия бойка.

Резким, но не сильным ударом разбивают дно ампулы о боек и дают всему содержимому вылиться в колбу.

Другим стеклянным бойком продавливают верхнее отверстие ампулы.

Ампулу промывают снаружи и изнутри дистиллированной водой над воронкой.

Вынимают воронку и споласкивают снаружи ее нижнюю часть; промывную воду собирают в ту же колбу.

В колбу добавляют воду до метки и перемешивают раствор (Рис.3). Полученный раствор имеет точную концентрацию.



Рис. 3 Приготовление раствора из фиксанала.



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Васильев В.П. Аналитическая химия. В двух книгах. М.: Дрофа, Кн. 1. 2004, 366 с.

П.И. Воскресенский. Техника лабораторных работ. М.: «Химия», 1973. 717 с.

 Хомченко, И. Г. Общая химия. 2-е изд., испр. и доп. М.: Новая волна: Умеренков, 2008. - 462 с. 

Никольский А.Б., Суворов А.В. Химия: Учебник для вузов. СПб.: Химиздат, 2001. - 512с.

А.А. Ищенко. Аналитическая химия: учебник для студ. сред. проф. учеб. заведений. М.: «Академия», 2012. - 320 с.

Размещено на Allbest.ru

...