Растворы

Растворы.

 

  Растворы имеют большое  значение как в медицине. Растворами  являются плазма крови, спинно-мозговая жидкость, лимфа и.т.д. Лекарственные вещества эффективны лишь в растворенном состоянии в организме, все биохимические реакции протекают в растворах. В связи с этим необходимо определять концентрации веществ в различных биологических жидкостях и лекарственных препаратах. Для этого широко применяют метод титриметрического анализа, который изложен в следующей лекции.

Растворы - гомогенные (однородные) системы, состоящие из растворителя, растворенного вещества и продуктов их взаимодействия. Вещества, составляющие раствор, называют компонентами реакции. Растворителем считают тот компонент, который в растворе находится в том же агрегатном состоянии, что и до растворения. Например, в водном растворе глюкозы (твердое вещество) растворителем является вода.

По агрегатному состоянию  растворы могут быть газообразными, жидкими и твердыми.

Классификация растворов. Растворы веществ с молекулярной массой меньше 5000г/моль называют растворами низкомолекулярных соединений (НМС), больше 5000 г/моль - растворы высокомолекулярных соединений (ВМС).

По наличию или отсутствию электролитической диссоциации  растворы НМС подразделяют на три  класса - растворы электролитов, неэлектролитов.

Растворы электролитов - растворы диссоциирующих на ионы солей, кислот и оснований.  Электропроводность растворов электролитов выше, чем растворителя. Например, растворы KNO₃, НCl,  KOH.

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

В лабораторной практике различают концентрированные растворы (содержание растворенного вещества соизмеримо с содержанием растворителя) и разбавленные растворы (содержание растворенного вещества мало по сравнению с содержанием растворителя).

Иногда растворы определяют как дисперсные системы. При этом растворитель, в котором распределено вещество, называется дисперсной средой, а частицы растворенного вещества - дисперсной фазой.  По степени дисперсности различают:

 

 

Грубодисперсные системы (взвеси)	Коллоидные системы (кровь, лимфа, слюна,  белки)	Истинные растворы (раствор  соли в воде)
Размер частиц дисперсной фазы
Больше 100 нм	1-100 нм	меньше 1 нм

 

Таким образом, если одно вещество диспергировать (разрушать) в другом, то, в зависимости от размера частиц диспергируемого вещества, можно получить системы трёх типов:

1. Взвеси – это дисперсные системы, в которых размеры распределённых частиц сравнительно велики (10 ^–7 – 10 ^–5 м). Взвеси делятся на суспезии и эмульсии; в первых распределённое вещество твёрдое, во вторых – жидкое. Частицы взвесий видны простым глазом или в обычный оптический микроскоп. Взвеси – системы мутные и непрозрачные. Взвеси неустойчивы, частицы диспергированного вещества выпадают в осадок (песок + вода), а если плотность диспергированного вещества меньше плотности среды, то диспергированное вещество всплывает (глина + масло). Процесс разделения взвесей называется седиментацией (для суспензий) и расслоением (для эмульсий).
2. Коллоидные системы – это такие дисперсные системы, в которых частицы распределённого вещества имеют размеры порядка 10 ^–9 – 10 ^–7 м. Каждая такая частица может содержать большое число атомов или молекул. Такие частицы невидимы через обычный микроскоп, но видимы в ультрамикроскоп, где свет падает сбоку или сзади, в результате чего  в поле зрения видны светлые точки, возникающие в результате рассеяния света диспергированными частицами.
3. Истинные растворы или просто растворы – это дисперсные системы, в которых диспергированное вещество распределено в среде в виде молекул или ионов; частицы имеют размеры порядка 10 ^–10 – 10 ^–7 м. Растворы системы однородные, устойчивые.

 

Способы выражения  концентрации растворов.

1.1.Способы выражения концентрации  растворов.

I.ω - массовая доля (процентная) концентрация, показывает сколько грамм растворённого вещества содержится в 100 г раствора и выражается формулой:

, где m (вещ-ва) – масса вещества,

m (р-ра) – масса раствора, m (р-ра) = m (р-ля) + m (вещ-ва)

Пример: ω (С₆Н₁₂О₆) = 10%. Это означает, что в 100 г раствора глюкозы содержится 10 г С₆Н₁₂О₆ и 90 г Н₂О.

II. M – молярная концентрация, показывает какое количество молей растворённого вещества содержится в одном литре раствора и выражается формулой:

, 

где n (X) – количество молей растворённого вещ-ва,  V – объём раствора в литрах.

Пример: 2М NaOH – двумолярный р-р NaOH. Это означает, что в 1 л данного раствора содержится 2 моля NaOH.

0,1М – децимолярный р-р, 0,01М – сантимолярный р-р, 0,001М – миллимолярный р-р.

III. N, Сн – нормальная (эквивалентная) концентрация показывает количество эквивалентов растворённого вещества в одном литре раствора и выражается формулой: ,

где n_э (X) – количество эквивалентов в-ва (Х), V – объём раствора в литрах.

Пример: 0,1 н НС1 – децанормальный р-р НС1. это означает, что в 1 л данного раствора содержится 0,1 эквивалента НС1.

IV. T. t – титрованная концентрация (титр) показывает сколько грамм растворённого вещества содержится в одном мл раствора и выражается формулой: ,

где m (в-ва) – масса вещества в г, V – объём р-ра в мл.

,

где N – нормальная концентрация,  МЭ (Х) – моль-эквивалент вещества (частиц) Х.

Пример: Т (Н₂SO₄) = 0,05 г/мл. Это означает, что в 1 мл данного раствора содержится 0,05 г Н₂SO_4.

1.2. Химический эквивалент.

Эквивалентом вещества называется такое количество его, которое взаимодействует с одним молем атомов водорода или с одним эквивалентом любого другого вещества. Обозначается Э (Х) и выражается в молях.

Масса одного эквивалента  вещества называется эквивалентной массой или моль-эквивалентом. Обозначается МЭ (Х) и выражается в г/моль.

Эквивалент в большинстве  случаев – величина переменная и  определяется для каждой реакции.

Способы расчета МЭ:

1). МЭ кислоты =

H₂SO₄ + KOH = KHSO₄ + H₂O

H₂SO₄ + 2KOH = K₂SO₄ + 2H₂O

2) МЭ основания =

Са(ОН)₂, МЭ Са(ОН)₂ =

3). МЭ соли =

Al₂(SO₄)₃, МЭ Al₂(SO₄)₃ =

1.3.Закон эквивалентов и его  следствия

И. Рихтер (1814) предложил закон  эквивалентов: Вещества взаимодействуют и получаются в массовых количествах прямо пропорционально их эквивалентам.

Математическое выражение  этого закона: , где

m₁ и m₂ – массы вешеств, Э₁ и Э₂ – эквиваленты веществ.

Пропорция не изменится, если поменять местами m₂ с Э₁, тогда получим:

.   , где n_Э – количество эквивалентов (моль-эквивалентов).

Следствия: 1. Объёмы реагирующих растворов обратно пропорциональны их нормальным концентрациям: или V₁ · N₁ = V₂ · N₂;

V₁, V₂ – объёмы реагирующих растворов,

N₁, N₂ – нормальные концентрации этих растворов.

1. Объёмы исходного и того же разбавленного растворов обратно пропорциональны их нормальным или молярным концентрациям:

V₁ · N₁ = V₂ · N₂;  V₁ · M₁ = V₂ · M₂;

 где М₁ и М₂  - молярные концентрации растворов.

2. n_Э = V· N,  n_Э – количество моль-эквивалентов (МЭ), V – объём раствора в л, N – нормальная концентрация, мэ/л.

1.4.Способы приготовления растворов.

Способы приготовления стандартных растворов.

Растворы с известной  концентрацией, которые служат для  определения концентрации других растворов, называются стандартными или рабочими. Это некоторые растворы кислот, щелочей, солей.

1. Метод точной навески. Предполагает работу с растворами, которые не меняют свою молекулярную массу и объем при взаимодействии с воздухом. К таким веществам относятся щавелевая кислота, сода, бура (Na₂B₄O₇·10H₂O), бихромат калия и ряд других веществ.  На аналитических (погрешность таких весов составляет 0,0002г) весах точно взвешивают вещество и переносят в мерную колбу для растворения, доводят до метки растворителем (водой) и тщательно перемешивают.

Растворы точной навески  можно приготовить лишь для немногих веществ. Эти вещества должны отвечать следующим требованиям:

- чистое вещество

- постоянный состав

- устойчивость вещества  на воздухе и в растворе.

Такие соединения называются установочными. К ним относятся: щавелевая кислота (Н₂С₂О₄ · 2Н₂О), тетраборат натрия (бура) (Na₂B₄O₇ · 12H₂O), дихромат калия (K₂Cr₂O₇). Для веществ, неудовлетворяющих требованиям, растворы готовят из неточной навески или разбавлением.

2. Фиксанальный метод. Предполагает приготовление растворов из фиксаналов. Фиксанал - ампула с сухим веществом или раствором с точно известной концентрацией. Фиксанал разбивают и переносят в колбу для растворения. Этот метод считается наиболее точным.
3. Метод приблизительной навески. Предполагает работу с растворами, которые меняют свою массу на воздухе, например, перманганат калия. Работать с такими растворами нельзя, поэтому перед применением их в качестве стандартных, необходимо оттитровать другим раствором с точно известной концентрацией.
4. Метод разбавления. Из раствора с точно известной концентрацией готовят разбавлением раствор другой концентрации. Концентрация полученного раствора зависит от концентрации исходного.

1.5.Решение задач на приготовление  растворов с массовой долей (%) концентрации.

Задача 1. Как приготовить 500 г раствора С₆Н₁₂О₆ с массовой долей равной 10% ?

Дано:        Решение:

 m (р-ра С₆Н₁₂О₆) = 500 г       

ωС₆Н₁₂О₆ = 10%   1. Определяем массу С₆Н₁₂О₆ согласно

__________________   формуле: m (в-ва) =  

Найти: m (С₆Н₁₂О₆) = ?   m (С₆Н₁₂О₆) =  

m (H₂O) = ?

2. Определяем массу воды  согласно формуле: 

m (р-ра) = m (р-ля) + m (вещ-ва), m (Н₂О) = m (р-ра) – m (в-ва),

m (H₂O) = 500 – 50 = 450 г.

Согласно формуле: , где ρ – плотность раствора, m – масса раствора, V – объём раствора. Определяем V (H₂O) = .

Ответ: чтобы приготовить 500 г раствора глюкозы с массовой долей 10%, необходимо отвесить на весах 50 г глюкозы, отмерить любой мерной склянкой 450 мл воды, поместить этот раствор в любую подходящую посуду и перемешать.

Задача 2. Как приготовить 800 мл раствора NaCl с массовой долей равной 12% и плотностью равной 1,1 г/мл?

Дано:        Решение:

V (р-ра) = 800 мл       

ω NaCl  = 12 % 

ρ = 1,1 г/мл    1. Определяем массу р-ра NaCl согласно

__________________  формуле: m (р-ра)=800 мл · 1,1г/мл = 880 г

Найти: m (NaCl) = ?    m (H₂O) = ?

2. Определяем массу NaCl согласно формуле: m (в-ва) =

m (NaCl) =

3. Определяем массу воды  согласно формуле: 

 m (Н₂О) = m (р-ра) – m (в-ва), ), m (Н₂О) = 880 – 105,6 = 774,4 г или 774,4 мл, т.к. плотность воды равна 1 г/мл.

Ответ: для приготовлшения 800 мл раствора хлорида натрия с массовой долей равной 12 %, необходимо отвесить на весах 105,6 г NaCl, отмерить любой мерной склянкой 774,4 мл воды, поместить все это в любую подходящую посуду и перемешать.

Задача 3 Приготовить 100 г ра-ра MgSO₄ c ω = 2 % из р-ра MgSO₄ c ω = 10 % ?

Дано:         Решение:

ω₁( MgSO₄) =  10 %       

m₂ ( MgSO₄) р-ра = 100 г 

ρ = 1,1 г/мл    1. Определяем массу чистого MgSO₄

__________________   содержащегося в 100 г 2 % р-ра MgSO₄

Найти: m ₁ ( MgSO₄) = ?   m (в-ва) = ,

m (H₂O) = ?    m (MgSO₄) =

2. Определяем массу р-ра MgSO₄ (исходного) с ω = 10 % содержащего 2 г чистого MgSO₄ , m₁(MgSO₄) =