2. Теоретическая часть

Раствор – это гомогенная (однородная) система переменного состава, состоящая из двух или нескольких компонентов.

Раствор состоит из растворенного вещества и растворителя.

Растворителем считают тот компонент, который в чистом виде существует в таком же агрегатном состоянии, что и полученный раствор (например, в случае водного раствора соли растворителем является вода). Если оба компонента до растворения находились в одинаковом состоянии (например, вода и спирт), то растворителем считается компонент, находящийся в большем количестве.

Растворы бывают в трех агрегатных состояниях: жидкие (раствор серной кислоты), газообразные (воздух), твердые (сплавы металлов) – физическая причина такого растворения – внедрение атомов одного металла в кристаллическую решетку другого и построение общей кристаллической решетки. Для этого атомы металлов должны быть близки по объему, как, например, атомы меди и золота.

Отличие раствора от других смесей в том, что молекулы веществ распределяются в нем равномерно и в любом микрообъеме такой смеси состав ее одинаков. Такая смесь называется однофазной. Отличие раствора от чистого вещества состоит в том, что индивидуальное вещество имеет определенные физические константы, например, температуры плавления, кипения, определенный химический состав, в то время как физические константы и состав растворов зависят от соотношения их компонентов. Так, плотность раствора соли в воде растет, а температура замерзания падает с увеличением содержания соли. Чистые вещества при изменении их фазового состояния не изменяют своего химического состава, а при возвращении в исходное фазовое состояние приобретают исходные характеристики. Компоненты же растворов могут разделиться при изменении фазового состояния системы. Так, испарение воды из солевого раствора (издавна применяемое при добычи соли) приводит, с одной стороны, к увеличению содержания (концентрации) соли в оставшемся растворе, а с другой стороны, сконденсировавшаяся вода представляет собой чистое вещество. Дальнейшее испарение воды приведет к выпадению твердой фазы – кристаллов соли.

Процесс образования раствора – растворение – заключается в разрушении взаимодействия между молекулами индивидуальных веществ и образовании новых межмолекулярных связей между компонентами раствора.

При растворении многие молекулы связываются с молекулами растворителя, образуя соединения – сольваты (от лат. растворять). Этот процесс называется сольватацией. Когда в качестве растворителя служит вода, соединения называются гидратами. Важными свойствами раствора являются: плотность (ρ), осмотическое давление, температура замерзания, температура кипения.

Классификация растворов

По степени разбавленности:

а) разбавленный – раствор с небольшим содержанием растворенного вещества по сравнению с содержанием растворителя;

б) концентрированный – раствор с большим содержанием растворенного вещества по сравнению с растворителем.

По степени насыщаемости:

а) насыщенный – раствор, в котором при данной температуре вещество больше не растворяется, т.е. раствор, находящийся в равновесии с избыточным количеством растворенного вещества;

б) ненасыщенный – раствор, в котором при данной температуре находится меньше растворенного вещества, чем в его насыщенном растворе;

в) пересыщенный – раствор, в котором при данной температуре в растворенном состоянии находится больше вещества, чем в его насыщенном растворе при тех же условиях.

Истинные растворы характеризуются гомогенностью, т.е. наличием частиц менее 1 нм (растворы низкомолекулярных веществ: спиртов, сахаров, кислот, щелочей, солей).

Коллоидные растворы характеризуются наличием частиц от 1 до 100 нм (растворы белков, полисахаридов).

Грубодисперсные системы характеризуются размерами частиц от 100 нм (суспензии твердых и жидких веществ).

Истинные растворы называют гомогенными, так как размеры частиц растворенного вещества близки к размерам молекул растворителя. Коллоидные растворы и грубодисперсные системы являются гетерогенными. Степень дисперсности растворенного вещества зависит от соответствия строения в структуре растворителя:"Подобное растворяется в подобном". При образовании дисперсных систем наблюдается взаимодействие дисперсных систем и молекул растворителя. Растворяемые вещества воздействуют на структуру растворителя. Часть его молекул переориентируется и образуется сольватная (гидратная) оболочка, что сопровождается выделением энергии, которая компенсирует энергию разрушаемых межмолекулярных связей. Тепловой эффект растворения обусловлен соотношением энергий молекулярных связей и сольватных оболочек. В случае большей прочности межмолекулярных связей происходит понижение температуры при растворении (эндоэффект). В случае меньшей их прочности происходит повышение температуры за счет избытка энергии при сольватации в процессе растворения (экзоэффект). Растворитель также влияет на растворенное вещество. Гидратные оболочки понижают прочность полярных связей и обуславливают явление электролитической диссоциации.

Таким образом, раствором называется гомогенная система, состоящая из двух или более компонентов, соотношения между которыми могут меняться, а также продуктов взаимодействия компонентов.

Раствор – это переход на следующий уровень иерархии химической организации вещества: от атомов, молекул, агрегатов молекул к смесям веществ.

Концентрация раствора – содержание растворенного вещества в определенной массе или объеме раствора или растворителя

Существуют следующие способы выражения концентрации растворов:

1. Массовая доля (ω) – это соотношение массы растворенного вещества к массе раствора:

Например, ω = 30% (в 100 г раствора содержится 30 г растворенного вещества и 70 г растворителя).

2. Молярная концентрация или молярность (С_м) – это число молей растворенного вещества, содержащихся в 1 л раствора:

Например, С_м = 2М или С_м = 2 моль/л (в 1 литре раствора содержится 2 растворенного вещества). 1М NaOH – одномолярный раствор гидроксида натрия, 1 л такого раствора содержит 40 г NaOH; 0,01М NaOH – сантимолярный раствор, 1 л такого раствора содержит 0,01 моль, т.е. 0,4 г NaOH и т.д. Чтобы приготовить, например, децимолярный раствор NaOH, надо взвесить 0,1 моль его, т.е. 4 г внести в литровую мерную колбу, на горлышке которой отмечен объем, точно равный 1 л, добавить воды до полного растворения вещества и затем раствор довести до метки (нижняя часть мениска должна касаться метки) и тщательно перемешать. Молярность раствора обозначается буквой М.

3. Моляльная концентрация (С) – это число молей растворенного вещества, приходящегося на 1 кг растворителя.

Например, С = 2 моль/кг (в 1000 г Н₂О содержится 2 моль растворенного вещества).

4. Эквивалентная концентрация эквивалентов, или нормальность (С_н) – это число г-эквивалентов растворенного вещества, содержащихся в 1 литре раствора:

Например, С_н = 2Н или С_н = 2 г-экв/л (в 1 литре раствора содержится 2 г-эквивалента растворенного вещества). Раствор, в 1 литре которого содержится 1 эквивалент (экв) растворенного вещества, называется нормальным. Если в 1 литре раствора содержится 0,1 экв вещества, то он называется децинормальным; 0,01 экв – сантинормальным; 0,001 экв – миллинормальным. Нормальность обозначается буквой N. Нормальный раствор готовится аналогично молярному.

Эквивалент вещества – это такое его количество, которое соединяется с одним молем атомов водорода или замещает то же количество атомов водорода в химических реакциях. Например, в соединениях HCl, H₂S – эквивалент Cl и S соответственно равен 1 моль и 0,5 моль.

Масса одного эквивалента называется эквивалентной массой. Так, в приведенных примерах эквивалентные массы Cl и S соответственно равны 35,5 г/моль и 32/2 = 16 г/моль.

Закон эквивалентов: элементы всегда соединяются между собой в весовых количествах, соответствующих их эквивалентам:

m₁/m₂ = Э₁/Э₂.

На основании закона эквивалентов можно вывести следующие формулы для вычисления эквивалентных масс сложных веществ:

Э (оксида) = М (оксида) / число атомов элемента валентность элемента;

Э (основания) = М (основания) / кислотность основания;

Э (кислоты) = М (кислоты) / основность кислоты;

Э (соли) = М (соли) / число атомов металла · валентность металла;

М – мольная масса соединения.

5. Мольная доля растворенного вещества (N₂) – это отношение числа молей растворенного вещества (n₂) к сумме числа молей растворителя (n₁) и растворенного вещества:

6. Мольная доля растворителя (N₁) – это отношение числа молей растворителя к сумме числа молей растворителя и растворенного вещества:

7. Титр раствора (Т) – это число граммов вещества, содержащегося в 1 мл раствора: