Характеристика состояния вещества, образования растворов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Агрегатные состояния вещества

Многие вещества могут, в зависимости от внешних условий (температура, давление), находиться в трех агрегатных состояниях - твердом, жидком и газообразном. Простейшее определение: газы не имеют постоянных объема и формы при постоянной температуре; жидкости имеют постоянный объем, но форма зависит от сосуда; твердые вещества имеют постоянную форму и объем. Наиболее проста теория (и математическое описание) газового состояния. При "нормальных условиях" (0^оС или 273,15 К и 1 атм. или 101325 Па) большинство газов вполне удовлетворительно описываются уравнением состояния идеального газа (уравнение Клапейрона-Менделе-ева): pv = nRT. Идеальный газ состоит из частиц (молекул), представляющих собой абсолютно твердые упругие шарики бесконечно малого размера, взаимодействием между которыми (кроме редких упругих столкновений) можно пренебречь. Для многих приблизительных расчетов и решения учебных задач используется следствие из закона Авогадро - при н.у. 1 моль газа (6,022^.10²³ молекул) занимает объем, равный 22, 4 л.

Реальные мольные объемы некоторых газов при н.у.:

Водород 22,428 л, Гелий 22,424 л, Аммиак 22,400 л, Азот 22,408 л, Кислород 22,392 л, Оксид углерода (IV) 22,261 л, Хлороводород 22,253 л.

Для реальных газов используют уравнения состояния с поправками, учитывающими собственный размер молекул и взаимодействие между ними. Во многих случаях достаточно приближенного уравнения Ван-дер-Ваальса:

(p +a/V²)(V - b) = RT

где, a/V² - поправка, учитывающая взаимное притяжение молекул ("внутреннее давление");

b - поправка, учитывающая собственный объем молекул и их взаимное отталкивание.

Теория жидкостей разработана гораздо хуже, чем газов, поскольку свойства жидкостей зависят от геометрии и полярности взаимно близко расположенных молекул. Кроме того, отсутствие определенной структуры жидкостей затрудняет их формализованное описание - в большинстве учебников жидкостям уделено гораздо меньше места, чем газам и твердым кристаллическим веществам. Между жидкостями и газами нет резкой границы - она полностью исчезает в критических точках. Для каждого газа известна температура, выше которой он не может быть жидким ни при каком давлении; при этой критической температуре исчезает граница (мениск) между жидкостью и ее насыщенным паром. Существование критической температуры ("температуры абсолютного кипения") установил Д.И.Менделе-ев в 1860 г.

Твердые кристаллические вещества обладают упорядоченной структурой с повторяющимися элементами, что позволяет исследовать их методом дифракции рентгеновских лучей (метод рентгеноструктурного анализа, используется с 1912 г.). Они достаточно подробно описаны в рекомендованных учебниках.

Стеклообразное состояние - твердое аморфное состояние вещества, которое получается в результате глубокого переохлаждения жидкости. Это состояние неравновесно, однако стекла могут существовать длительное время. Размягчение стекла происходит в некотором диапазоне температур - интервале стеклования, границы которого зависят от скорости охлаждения. С увеличением скорости охлаждения жидкости или пара возрастает вероятность получения данного вещества в стеклообразном состоянии.

В конце 60-х годов XX века получены аморфные металлы (металлические стекла) - для этого потребовалось охлаждать расплавленный металл со скоростью 10⁶ - 10⁸ град/с. Большинство аморфных металлов и сплавов кристаллизуются при нагреве свыше 300^оС. Одно из важнейших применений - микроэлектроника (диффузионные барьеры на границе металл-полупроводник) и магнитные накопители (головки ЖМД). Последнее - благодаря уникальной магнитомягкости (магнитная анизотропия меньше на два порядка, чем в обычных сплавах).

Жидкокристаллическое состояние - промежуточное между кристаллическим и жидкостью. Жидкие кристаллы обладают одновременно текучестью и анизотропией (оптической, электрической, магнитной). Иногда это состояние называют мезоморфным (мезофазой) - из-за отсутствия дальнего порядка. Верхний предел существования - температура просветления (изотропная жидкость). Термотропные (мезогенные) ЖК существуют выше определенной температуры. Типичные - цианобифенилы.

Лиотропные - при растворении, например, водные растворы мыл, полипептидов, липидов, ДНК...

Рисунок 15. Структура смектических (а и б) и нематических (в) жидких кристаллов.

Рисунок 16. Структура дискотических жидких кристаллов: а - колончатая фаза; б - нематическая фаза.

агрегатный многокомпонентный раствор энтальпия



Рисунок 17. Структура холестерических жидких кристаллов.

Смектические ЖК расположены слоями, нематические сохраняют только ориентацию при беспорядочном расположении центров тяжести молекул. Холестерические ЖК образуют слои, с поворотом слоев (ориентаций молекул) на определенный угол друг относительно друга.

Жидкие кристаллы открыты в 1888 г. Ф.Рейнитцером и О.Леманом.

Студни - системы полимер-растворитель, характеризующиеся большими обратимыми деформациями при практически полном отсутствии вязкого течения. Иногда используют термин "гели", который в коллоидной химии обозначает скоагулированные золи. Наиболее важны студни на основе сетчатых полимеров с разной степенью поперечной сшитости.

При изменении температуры и давления возможен синерезис - отделение части жидкости.

Студни на основе сополимеров акриловой кислоты и акриламида используют для создания мембран с регулируемой проницаемостью, депо для лекарств в организме, в качестве сорбентов и как модели в биологических исследованиях.

2. Многокомпонентные системы

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 между фазами свойства меняются скачком. Пример двухфазной системы - поверхность реки в ледоход.

Компонентами называют вещества, минимально необходимые для составления данной системы (минимум один). Число компонентов в системе равно числу веществ в ней присутствующих, минус число связывающих эти вещества независимых уравнений.

Компонентом называют вещество, которое может быть выделено из данной системы и количество которого можно менять (хотя бы в некоторых пределах) независимо от других.

Дисперсные системы - гетерогенные системы из двух или большего числа фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними. Одна из фаз образует непрерывную дисперсионную среду, в которой распределена дисперсная фаза в виде мелких кристаллов, твердых аморфных частиц, капель или пузырьков.

Грубодисперсные системы имеют размеры частиц выше 1 мкм, (удельная поверхность не более 1 м² /г), тонко(высоко)дисперсные или коллоидные системы содержат частицы от 1 нм до 1 мкм (удельная поверхность - сотни м² /г). По агрегатному состоянию делят на:

газодисперсионные - аэрозоли (дымы, пыли, туманы), порошки, волокнистые материалы;

жидкодисперсионные с твердой дисперсной фазой - грубодисперс-ные суспензии и пасты, высокодисперсные золи и гели;

жидкодисперсионные с жидкой дисперсной фазой - грубодисперс-ные эмульсии, высокодисперсные эмульсии и латексы;

жидкодисперсионные с газовой дисперсной фазой - грубодисперс-ные газовые эмульсии и пены;

твердодисперсионные - например, рубиновые стекла, минералы типа опала, микропористые материалы.

Золи (нем. ед.ч. Sol) (лиозоли, коллоидные растворы) - высокодисперсные коллоидные системы с жидкой дисперсионной средой. Частицы дисперсной фазы золя вместе с окружающей их сольватной оболочкой из молекул (ионов) дисперсионной среды называют мицеллами. Размер частиц лиозоля в пределах 10^-7 - 10^-5 см. Мицеллы лиофильных золей состоят из дифильных (например, состоящих из гидрофильной и гидрофобной части) молекул, которые находятся в термодинамическом равновесии с неассоциированными молекулами. Пример - мыло в воде. Лиофобные золи неравновесны и требуют стабилизации. Пример мицеллы лиофобного золя бромида серебра: {m[AgBr]nBr^-(n-x)K⁺}xK⁺

Еще версия терминологии:

Золь - коллоидно-дисперсная система с изолированными друг от друга, а гель - с соприкасающимися (агрессивными) коллоидными частицами; суспензия - грубодисперсная система с относительно малой, а паста - большой концентрацией дисперсной фазы.

3. Растворы

Раствор - это гомогенная система, состоящая из двух и более компонентов и продуктов их взаимодействия. Например, водный раствор KCl. Здесь 2 компонента: вода и хлорид калия.

Растворы могут находиться в трех агрегатных состояниях:

твердые растворы или сплавы - например, сплав серебра и золота;

газообразные растворы или смесь газов - например, смесь азота и кислорода;

жидкие растворы, например, водный раствор сахара, кровь, моча, желудочный сок.

Раствор состоит из растворителя и растворенного вещества. Если оба компонента раствора находятся в одинаковом агрегатном состоянии (например, смешали 20 г жидкого этанола и 50 г жидкого метанола), то растворителем будет тот компонент, масса которого больше (в нашем примере - метанол). Если же смешиваются компоненты в разных агрегатных состояниях (например, жидкая вода и твердый NaCl), то растворителем будет тот компонент, который находится в том же агрегатном состоянии, что и полученный раствор (то есть вода).

Среди многих растворителей особое место занимает вода - это универсальный растворитель, который растворяет многие вещества. Вода - самый распространенный растворитель в промышленности, сельском хозяйстве, быту, медицине и фармации, при проведении химических опытов. Многие биологические жидкости (кровь, моча, желудочный сок и т.д.) - это водные растворы, содержащие все необходимое для жизнедеятельности живых организмов.

Способы выражения концентрации растворов.

Концентрация растворов - это есть содержание растворенного вещества (в молях или граммах) в определенном объеме или массе раствора или растворителя.

Существуют следующие основные способы выражения концентрации растворов:

Массовая доля растворенного вещества - это есть отношение массы растворенного вещества к массе раствора, то есть:

Например, 5 г NaOH содержится в 50 г раствора.

Тогда

Необходимо помнить, что

,

где с - плотность раствора (г/мл);

V - объем раствора (мл).

Молярная концентрация (или молярность) - это отношение количества растворенного вещества (n) к объему раствора (V) или число молей растворенного вещества в 1 литре раствора, т.е.:

где m - масса растворенного вещества

М - молярная масса растворенного вещества (г/моль)

V - объем раствора (л)

Например, в 500 мл раствора содержится 19,6 г H₂SO₄.

Тогда, то есть в 1 литре раствора содержится 0,4 моль серной кислоты.

3)Молярная концентрация эквивалента растворенного вещества - это есть отношение количества эквивалентов (число молей эквивалентов) растворенного вещества к объему раствора (или число молей эквивалентов растворенного вещества в 1 литре раствора), то есть:

С_{н =}

где М_э - молярная масса эквивалента растворенного вещества

Например, в 100 мл раствора содержится 9,8 г серной кислоты.

Тогда С_н = или 2н раствор Н₂SO₄

то есть в 1 литре раствора содержится 2 моль эквивалентов серной кислоты, то есть получился двухнормальный раствор серной кислоты.

Моляльная концентрация (или моляльность) - это есть количество (число молей) растворенного вещества в 1 кг растворителя (или в 1000 г растворителя), то есть:

Например, в 200 г воды (то есть растворителя) растворено 4 г NaOH.

Тогда то есть в 1 кг воды содержится 0,5 моля NaOH.

Молярная доля растворенного вещества - это отношение количества (числа молей) растворенного вещества к сумме количеств (к сумме молей) всех веществ, составляющих раствор, то есть:

Например, 8 г NaOH растворено в 14,4 г воды.

Тогда

Отсюда

то есть молярная доля NaOH в растворе равна 0,2.

Титр раствора (Т) - это есть число граммов растворенного вещества в 1 мл раствора, то есть:

Например, в 100 мл раствора содержится 5 г серной кислоты.

Тогда

то есть в 1 мл раствора содержится 0,05 г серной кислоты.

Изменение энергии Гиббса, энтальпии и энтропии при образовании раствора.

Процесс растворения - это сложный физико-химический процесс, при котором наблюдается взаимодействие растворителя и растворенного вещества. Поэтому при растворении происходит как изменение энтальпии (Н), так и изменение энтропии (S).

При растворении твердого вещества в воде Н может быть как меньше нуля, так и больше нуля. Например, при растворении NaOH в воде тепло выделяется (Н0) и раствор нагревается. При растворении KNO₃ в воде тепло поглощается (Н0) и раствор охлаждается.

При растворении газов в воде тепло, как правило выделяется, т. е. Н0.

Изменение энтропии при растворении твердых веществ (сахар, NaCl) в воде увеличивается (S0), так как при растворении беспорядок в системе увеличивается. При растворении газов в воде беспорядок в системе газ - вода уменьшается, поэтому энтропия тоже уменьшается (S0).

Направление процесса растворения и возможность его протекания определяется по изменению энергии Гиббса G:

G_{растворения} = H_{растворения} TS_{растворения}

Процесс растворения вещества возможен и протекает самопроизвольно (например, сахар растворяется в воде), когда G0. Численное значение G показывает, как глубоко идет процесс растворения: чем отрицательнее G, тем образуется более устойчивый раствор.

Если при растворении достигнуто состояние, когда G = 0, то наступает состояние равновесия и дальше вещество растворяться не будет, то есть образовался насыщенный раствор.

Растворимость веществ.

Растворимость вещества - это способность вещества растворяться в том или ином растворителе до образования насыщенного раствора.

Количественно растворимость выражается коэффициентом растворимости - это есть масса вещества, способного растворяться в 100 граммах растворителя. Для газов иногда коэффициент растворимости выражают в мл газа, способного раствориться в 100 г растворителя (или в 1 литре растворителя) при данной температуре и давлении.

Растворимость веществ зависит от следующих факторов:

от природы растворенного вещества и природы растворителя. В этом случае полярные вещества (HCl, NaCl) лучше растворяются в полярных растворителях (вода), а неполярные вещества лучше растворяются в неполярных или малополярных растворителях.

от температуры. С повышением температуры путем нагревания растворимость большинства твердых веществ, как правило, увеличивается. Растворимость газов (Н₂, О₂) в воде с повышением температуры уменьшается.

от давления (для растворимости газов).

Влияние давления на растворимость газов в жидкости описывается законом Генри: Растворимость газа в жидкости прямо пропорциональна давлению этого газа над жидкостью.

с = Кр,

где р - давление газа (например, О₂) над жидкостью (например, водой); с - растворимость газа, то есть число граммов газа в единице объема жидкости; К - коэффициент пропорциональности, называемый константой Генри. Он характеризует растворяющуюся способность данного газа: чем больше «К», тем данный газ лучше растворяется в данной жидкости.

Зависимость растворимости газовой смеси (например, О₂ и N₂ воздуха) в жидкости от парциального давления газа в этой смеси выражает закон Генри-Дальтона:

Растворимость каждого компонента газовой смеси прямо пропорциональна парциальному давлению этого компонента в газовой смеси.

с_i = К_i р_i,

где с_i - растворимость i-того компонента;

р_i - парциальное давление i-того компонента в газовой смеси.

Например, если газовая смесь состоит из О₂ и N₂, то можно написать:

Из закона Генри-Дальтона следует, что чем больше парциальное давление компонента в газовой смеси, тем больше его растворимость в жидкости (например, воде).

Присутствие электролита (NaCl, NaOH) в воде уменьшает растворимость газов. Зависимость растворимости газа от концентрации электролита в растворе выражает закон И.М. Сеченова:

Растворимость газа в чистом растворителе больше, чем в растворе электролита.

где N_o - молярная доля газа в чистом растворителе (например, О₂ в чистой воде);

N - молярная доля газа в растворе электролита (например, О₂ в водном растворе NaCl);

с - концентрация электролита в растворе (например, NaCl в воде);

К - коэффициент пропорциональности.

Из уравнения видно, что чем больше концентрация электролита в растворе (с), тем меньше газа растворяется в данном растворе (то есть меньше N).

Литература

1. Аналитическая химия. Физические и физико-химические методы анализа./ Под ред. О.М.Петрухина. - М., 2005

2. Артеменко А.И. Органическая химия.- М., 2006

3. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия.- М., 2003

4. Биологическая химия./Под ред.Ю.Б.Филипповича,Н.И.Ковалевская,Г.А.Севастьяновой . - М., 2005

5. Биохимия./Под редакцией В.Г.Щербакова. - СПб., 2003

6. Вольхин В.В. Общая химия. Избранные главы. - СПб, М, Краснодар., 2008

7. Вольхин В.В. Общая химия. Основной курс. - СПб, М, Краснодар., 2008

8. Гельфман М.И., Юстратов В.П. Химия. - СПб, М, Краснодар., 2008

9. Глинка Н.Л. Общая химия. - М., 2005

10. Говарикер В.Р., Васванатхан Н.В., Шридхар Дж.М. Полимеры. - М., 2000

11. Гранберг И.И. Органическая химия. - М., 2002

12. Дорохова Е.Н., Прохорова К.В. Аналитическая химия. Физико-химические методы. - М., 2004

13. Евстратова К.И., Купина Н.А., Малахова Е.Е. Физическая и коллоидная химия. - М., 1990

14. Зимон А.Д., Лещенко Н.Ф. Коллоидная химия.- М., 2003

15. Зимон А.Д. Физическая химия.- М., 2003

16. Ипполитов Е.Г., Артемов А.В., Батраков В.В. Физическая химия.- М., 2005

17. Ким А.М. Органическая химия. - Новосибирск, 2007

Размещено на Allbest.ru

...