Фаза раствора с более высокой концентрацией веществ. Фазовые состояния веществ

В результате изучения данной темы вы узнаете: Почему растворы занимают промежуточное положение между смесями и химическими соединениями. Чем отличается ненасыщенный раствор от разбавленного и насыщенный от концентрированного. Какими правилами нужно руководствоваться при составлении ионных уравнений. Почему при растворении в воде некоторых солей меняется реакция среды (с нейтральной на кислую или щелочную). В результате изучения данной темы вы научитесь: Составлять уравнения реакции ионного обмена. Составлять полные и сокращенные ионные уравнения гидролиза солей. Предсказывать реакцию среды в растворах солей. Решать задачи на определение концентрации растворов. Учебные вопросы:

9.1. Растворы и их классификация

Растворами называют гомогенные системы, в которых одно вещество распределено в среде другого (других) веществ.

Растворы состоят из растворителя и растворенного вещества (веществ). Эти понятия условны. Если одним из составляющих растворов веществ является жидкость, а другими - газы или твердые вещества, то растворителем обычно считают жидкость. В других случаях растворителем считают тот компонент, которого больше.

Газообразные, жидкие и твердые растворы

В зависимости от агрегатного состояния растворителя различают газообразные, жидкие и твердые растворы. Газообразным раствором является, например, воздух и другие смеси газов. Морская вода - наиболее распространенный жидкий раствор различных солей и газов в воде. К твердым растворам принадлежат многие металлические сплавы.

Истинные и коллоидные растворы

По степени дисперсности различают истинные и коллоидные растворы (коллоидные системы). При образовании истинных растворов растворенное вещество находится в растворителе в виде атомов, молекул или ионов. Размер частиц в таких растворах равен 10 –7 - 10 –8 см. Коллоидные растворы относятся к гетерогенным системам, в которых частицы одного вещества (дисперсная фаза) равномерно распределены в другом (дисперсионная среда). Размер частиц в дисперсных системах находится в пределах от 10 –7 см до 10 –3 и более см. Следует отметить, что здесь и далее везде мы будем рассматривать истинные растворы.

Ненасыщенные, насыщенные и пересыщенные растворы

Процесс растворения связан с диффузией, т. е. с самопроизвольным распределением частиц одного вещества между частицами другого. Так, процесс растворения твердых веществ, имеющих ионное строение, в жидкостях можно представить следующим образом: под влиянием растворителя разрушается кристаллическая решетка твердого вещества, а ионы распределяются равномерно по всему объему растворителя. Раствор останется ненасыщенным до тех пор, пока в него может переходить еще некоторое количество вещества.

Раствор, в котором вещество при данной температуре больше не растворяется, т.е. раствор, находящийся в состоянии равновесия с твердой фазой растворяемого вещества, называется насыщенным . Растворимость данного вещества равна его концентрации в насыщенном растворе. При строго определенных условиях (температура, растворитель) растворимость есть величина постоянная.

Если растворимость вещества увеличивается с ростом температуры, то охлаждая насыщенный при более высокой температуре раствор, можно получить пересыщенный раствор, т.е. такой раствор, концентрация вещества в котором выше концентрации насыщенного раствора (при данных температуре и давлении). Пересыщенные растворы очень неустойчивы. Легкое сотрясение сосуда или введение в раствор кристаллов вещества, находящегося в растворе, вызывает кристаллизацию избытка растворенного вещества, и раствор становится насыщенным.

Разбавленные и концентрированные растворы

Не следует путать ненасыщенный и насыщенный растворы с разбавленным и концентрированным. Понятия разбавленный и концентрированный растворы – относительные и между ними нельзя провести четкой границы. Они определяют соотношение между количествами растворенного вещества и растворителя. В общем случае, разбавленные растворы – это растворы, содержащие небольшие количества растворенного вещества по сравнению с количеством растворителя, концентрированные – с большим содержанием растворенного вещества.

Например, если при 20 o С растворить в 100 г воды 25 г NaCl, то полученный раствор будет концентрированным, но ненасыщенным, поскольку растворимость хлорида натрия при 20 o С составляет 36 г в 100 г воды. Максимальная масса AgI, которая растворяется при 20 o С в 100 г Н 2 О равна 1,3·10 –7 г. Полученный при этих условиях раствор AgI будет насыщенным, но очень разбавленным.

9.2. Физическая и химическая теория растворов; тепловые явления при растворении

Физическая теория растворов была предложена В. Оствальдом (Германия) и С. Аррениусом (Швеция). Согласно этой теории частицы растворителя и растворенного вещества (молекулы, ионы) равномерно распределяются по всему объему раствора вследствие процессов диффузии. При этом между растворителем и растворенным веществом отсутствует химическое взаимодействие.

Химическая теория была предложена Д.И. Менделеевым. Согласно представлениям Д.И. Менделеева между молекулами растворяемого вещества и растворителем происходит химическое взаимодействие с образованием неустойчивых, превращающихся друг в друга соединений растворенного вещества с растворителем – сольватов.

Русские ученые И.А. Каблуков и В.А. Кистяковский объединили представления Оствальда, Аррениуса и Менделеева, заложив тем самым основу современной теории растворов. Согласно современной теории в растворе могут существовать не только частицы растворенного вещества и растворителя, но и продукты физико-химического взаимодействия растворенного вещества с растворителем – сольваты. Сольваты – это неустойчивые соединения переменного состава. Если растворителем является вода, их называют гидратами . Сольваты (гидраты) образуются за счет ион-дипольного, донорно-акцепторного взаимодействий, образования водородных связей и т.д. Например, при растворении NaCl в воде между ионами Na + , Cl – и молекулами растворителя возникает ион-дипольное взаимодействие. Образование гидратов аммиака при его растворении в воде происходит за счет образования водородных связей.

Гидратная вода иногда настолько прочно связывается с растворенным веществом, что выделяется вместе с ним из раствора. Кристаллические вещества, содержащие молекулы воды, называются кристаллогидратами , а вода, входящая в состав таких кристаллов, называется кристаллизационной . Примерами кристаллогидратов является медный купорос CuSO 4 ·5H 2 O, алюмокалиевые квасцы KAl(SO 4) 2 ·12H 2 O.

Тепловые эффекты при растворении

В результате изменения структуры веществ при переходе их из индивидуального состояния в раствор, а также в результате происходящих взаимодействий изменяются свойства системы. На это указывают, в частности, тепловые эффекты растворения. При растворении происходят два процесса: разрушение структуры растворяемого вещества и взаимодействие молекул растворенного вещества с молекулами растворителя. Взаимодействие растворенного вещества с растворителем называется сольватацией. На разрушение структуры растворяемого вещества затрачивается энергия, а взаимодействие частиц растворенного вещества с частицами растворителя (сольватация) – процесс экзотермический (идет с выделением теплоты). Таким образом, процесс растворения может быть экзотермическим или эндотермическим, в зависимости от соотношения этих тепловых эффектов. Например, при растворении серной кислоты наблюдается сильное разогревание раствора, т.е. выделение теплоты, а при растворении нитрата калия – сильное охлаждение раствора (эндотермический процесс) .

9.3. Растворимость и ее зависимость от природы веществ

Растворимость – наиболее изученное свойство растворов. Растворимость веществ в различных растворителях колеблется в широких пределах. В табл. 9.1 приведена растворимость некоторых веществ в воде, а в табл. 9.2 – растворимость йодида калия в различных растворителях.

Таблица 9.1

Растворимость некоторых веществ в воде при 20 o С

Вещество		Вещество	Растворимость, г на 100 г H 2 O

Таблица 9.2

Растворимость иодида калия в различных растворителях при 20 o С

Растворимость зависит от природы растворенного вещества и растворителя, а также от внешних условий (температуры, давления). В используемых в настоящее время справочных таблицах предлагается подразделять вещества на хорошо растворимые, малорастворимые и нерастворимые. Такое деление не совсем правильно, поскольку абсолютно нерастворимых веществ нет. Даже серебро и золото растворимы в воде, однако их растворимость крайне незначительна. Поэтому в данном пособии мы будем использовать лишь две категории веществ: хорошо растворимые и малорастворимые . Наконец неприменимо для интерпретации растворимости понятия “легко” и “трудно” растворимый, поскольку эти термины характеризуют кинетику процесса растворения, а не его термодинамику.

Зависимость растворимости от природы растворенного вещества и растворителя

В настоящее время нет теории, с помощью которой можно было бы не только вычислить, но даже и предсказывать растворимость. Это объясняется отсутствием общей теории растворов.

Растворимость твердых веществ в жидкостях зависит от типа связи в их кристаллических решетках. Например, вещества с атомными кристаллическими решетками (углерод, алмаз и др.) мало растворимы в воде. Вещества с ионной кристаллической решеткой, как правило, хорошо растворимы в воде.

Правило, установленное из многовекового опыта исследования растворимости гласит: “подобное хорошо растворяется в подобном”. Вещества с ионным или полярным типом связи хорошо растворяются в полярных растворителях. Например, соли, кислоты, спирты хорошо растворимы в воде. В то же время неполярные вещества, как правило, хорошо растворяются в неполярных растворителях.

Для неорганических солей характерна различная растворимость в воде.

Так, большинство солей щелочных металлов и аммония хорошо растворимы в воде. Хорошо растворимы нитраты, нитриты и галогениды (кроме галогенидов серебра, ртути, свинца и таллия) и сульфаты (кроме сульфатов щелочноземельных металлов, серебра и свинца). Для переходных металлов характерна небольшая растворимость их сульфидов, фосфатов, карбонатов и некоторых других солей.

Растворимость газов в жидкостях также зависит от их природы. Например, в 100 объемах воды при 20 o С растворяется 2 объема водорода, 3 объема кислорода. В тех же условиях в 1 объеме Н 2 О растворяется 700 объемов аммиака. Такую большую растворимость NH 3 можно объяснить его химическим взаимодействием с водой.

Влияние температуры на растворимость газов, твердых веществ и жидкостей

При растворении газов в воде вследствие гидратации молекул растворяемого газа выделяется теплота. Поэтому в соответствии с принципом Ле Шателье при повышении температуры растворимость газов понижается.

Температура различным образом влияет на растворимость твердых веществ в воде. В большинстве случаев растворимость твердых веществ возрастает с повышением температуры. Например, растворимость нитрата натрия NaNO 3 и нитрата калия КNO 3 при нагревании увеличивается (процесс растворения протекает с поглощением теплоты). Растворимость NaCl при увеличении температуры возрастает незначительно, что связано с почти нулевым тепловым эффектом растворения поваренной соли. Растворимость гашеной извести в воде с повышением температуры уменьшается, поскольку энтальпия гидратации преобладает над величиной Δ Н разрушения кристаллической решетки этого соединения, т.е. процесс растворения Ca(OH) 2 экзотермичен.

В большинстве случаев взаимная растворимость жидкостей также возрастает с повышением температуры.

Влияние давления на растворимость газов, твердых веществ и жидкостей

На растворимость твердых и жидких веществ в жидкостях давление практически не оказывает влияния, так как изменение объема при растворении невелико. При растворении газообразных веществ в жидкости происходит уменьшение объема системы, поэтому повышение давления приводит к увеличению растворимости газов. В общем виде зависимость растворимости газов от давления подчиняется закону У. Генри (Англия, 1803 г.): растворимость газа при постоянной температуре прямо пропорциональна его давлению над жидкостью .

Закон Генри справедлив лишь при небольших давлениях для газов, растворимость которых сравнительно невелика и при условии отсутствия химического взаимодействия между молекулами растворяемого газа и растворителем.

Влияние посторонних веществ на растворимость

В присутствии в воде других веществ (солей, кислот и щелочей) растворимость газов уменьшается. Растворимость газообразного хлора в насыщенном водном растворе поваренной соли в 10 раз меньше. Чем в чистой воде.

Эффект понижения растворимости в присутствии солей называется высаливанием . Понижение растворимости обусловлено гидратацией солей, что вызывает уменьшение числа свободных молекул воды. Молекулы воды, связанные с ионами электролита, уже не являются растворителем для других веществ.

9.4. Концентрация растворов

Существуют различные способы численного выражения состава растворов: массовая доля растворенного вещества, молярность, титр и др.

Массовая доля – это отношение массы растворенного вещества m к массе всего раствора. Для бинарного раствора, состоящего из растворенного вещества и растворителя:

где ω – массовая доля растворенного вещества, m – масса растворенного вещества, M – масса растворителя. Массовую долю выражают в долях от единицы или в процентах. Например, ω = 0,5 или ω = 50%.

Следует помнить, что только масса является аддитивной функцией (масса целого равна сумме масс составляющих). Объем раствора не подчиняется этому правилу.

Молярная концентрация или молярность – это количество растворенного вещества в 1 литре раствора:

где C – молярная концентрация растворенного вещества X, моль/л; n – количество растворенного вещества, моль; V – объем раствора, л.

Молярная концентрация обозначается числом и буквой “М”, например: 3М КОН. Если в 1 л раствора содержится 0,1 моль вещества, то он называется децимолярным, 0,01 моль – сантимолярным, 0,001 моль – миллимолярным.

Титр – это число граммов растворенного вещества, содержащегося в 1 мл раствора, т.е.

где T – титр растворенного вещества, г/мл; m – масса растворенного вещества, г; V – объем раствора, мл.

Мольная доля растворенного вещества – безразмерная величина, равная отношению количества растворенного вещества n к общему количеству растворенного вещества n и растворителя n" :

,

где N – мольная доля растворенного вещества, n – количество растворенного вещества, моль; n" – количество вещества растворителя, моль.

Мольный процент представляет собой соответствующую долю, умноженную на 100%.

9.5. Электролитическая диссоциация

Вещества, молекулы которых в растворах или расплавах полностью или частично распадаются на ионы, называются электролитами. Растворы и расплавы электролитов проводят электрический ток.

Вещества, молекулы которых в растворах или расплавах на ионы не распадаются и электрический ток не проводят, называются неэлектролитами.

К электролитам относится большинство неорганических кислот, оснований и почти все соли, к неэлектролитам – многие органические соединения, например, спирты, эфиры, углеводы, и т.д.

В 1887 г. шведский ученый С. Аррениус выдвинул гипотезу электролитической диссоциации, согласно которой при растворении электролитов в воде происходит их распад на положительно и отрицательно заряженные ионы.

Диссоциация – обратимый процесс: параллельно с диссоциацией протекает обратный процесс соединения ионов (ассоциация). Поэтому при написании уравнений реакции диссоциации электролитов в особенности в концентрированных растворах ставят знак обратимости . Например, диссоциацию хлорида калия в концентрированном растворе следует записывать в виде:

КС1 К + + С1 – .

Рассмотрим механизм электролитической диссоциации. Легче всего в полярных растворителях диссоциируют вещества с ионным типом связи. При их растворении, например, в воде полярные молекулы Н 2 О притягиваются своими положительными полюсами к анионам, а отрицательными полюсами – к катионам. В результате связь между ионами ослабевает, и электролит распадается на гидратированные ионы, т.е. ионы, связанные с молекулами воды. Аналогичным образом диссоциируют электролиты, образованные молекулами с ковалентной полярной связью (НС1, НBr, H 2 S).

Таким образом, гидратация (сольватация) ионов является основной причиной диссоциации. В настоящее время общепринято считать, что в водном растворе большинство ионов гидратировано. Например, ион водорода Н + образует гидрат состава Н3О + , который называется ионом гидроксония. Помимо Н 3 О + в растворе имеются также ионы Н 5 О 2 + (Н 3 О + ·Н 2 О), Н 7 О 3 + (Н 3 О + ·2Н 2 О) и Н 9 О 4 + (Н 3 О + ·3Н 2 О). При составлении уравнений процессов диссоциации и написании уравнений реакций в ионной форме для упрощения записи ион гидроксония Н 2 О + обычно заменяют на негидратированный ион Н + . Следует, однако, помнить, что эта замена условна, поскольку в водных растворах протон не может существовать, поскольку практически мгновенно протекает реакция:

Н + + Н 2 О = Н 3 О + .

Поскольку не установлено точное число молекул воды, связанных с гидратированными ионами, при написании уравнений реакции диссоциации используются символы негидратированных ионов:

СН3СООН СН3СОО – + Н + .

9.6. Степень диссоциации; ассоциированные и неассоциированные электролиты

Количественной характеристикой диссоциации электролита на ионы в растворе является степень диссоциации. Степень диссоциации α - это отношение числа молекул, распавшихся на ионы N" к общему числу растворенных молекул N:

Степень диссоциации выражают в процентах или в долях единицы. Если α = 0, то диссоциация отсутствует, а если α = 1, то электролит полностью распадается на ионы. Согласно современным представлениям теории растворов электролиты делятся на две группы: ассоциированные (слабые) и неассоциированные (сильные).

Для неассоциированных (сильных) электролитов в разбавленных растворах α = 1 (100%), т.е. в растворах они существуют исключительно в виде гидратированных ионов.

Ассоциированные электролиты можно условно разделить на три группы:

слабые электролиты существуют в растворах в основном в виде недиссоциированных молекул; степень их диссоциации невелика;

ионные ассоциаты образуются в растворах в результате электростатического взаимодействия ионов; как выше уже отмечалось, ассоциация имеет место в концентрированных растворах хорошо диссоциирующих электролитов; примерами ассоциатов являются ионные пары (К + Cl – ,СаС1 +), ионные тройники (K 2 Cl + , KCl 2 –) и ионные квадруполи (K 2 Cl 2 , KCl 3 2– , K 3 Cl 2 +);

ионные и молекулярные комплексы , (например, 2+ , 3–) которые незначительно диссоциируют в воде.

Характер диссоциации электролита зависит от природы растворенного вещества и растворителя, концентрации раствора, температуры. Иллюстрацией этому положению может служить поведение хлорида натрия в различных растворителях, табл. 9.3.

Таблица 9.3

Свойства хлорида натрия в воде и в бензоле при различных концентрациях и температуре 25 o С

К сильным электролитам в водных растворах относятся большинство солей, щелочи, ряд минеральных кислот (НС1, HBr , НNО 3 , H 2 SO 4 , НС1O 4 и др.). К слабым электролитам принадлежат почти все органические кислоты, некоторые неорганические кислоты, например, H 2 S, HCN, H 2 CO 3 , HСlO и вода.

Диссоциация сильных и слабых электролитов

Уравнения диссоциации сильных электролитов в разбавленных водных растворах можно представить следующим образом:

HCl = H + + Cl – ,

Ba(OH) 2 = Ba 2+ + 2OH – ,

K 2 Cr 2 O 7 = 2K + + Cr 2 O 7 2– .

Между правой и левой частями уравнения реакции диссоциации сильного электролита можно поставить и знак обратимости, но тогда указывается, что a 1. Например:

NaOH Na + + OH – .

Процесс диссоциации ассоциированных электролитов обратим, поэтому в уравнения их диссоциации необходимо обязательно поставить знак обратимости:

HCN H + + CN – .

NH 3 ·H 2 O NH 4 + + OH – .

Диссоциация ассоциированных многоосновных кислот происходит ступенчато:

H 3 РO 4 H + + НРO 4 – ,

Н 2 РO 4 H + + НРO 4 2– ,

НРO 4 2– H + + РO 4 3– ,

Диссоциация образованных слабыми кислотами кислых солей и основных солей, образованных сильными кислотами в разбавленных растворах происходит следующим образом. Первый этап характеризуется степенью диссоциации, близкой к единице:

NaНCO 3 = Na + + НCO 3 – ,

Cu(OH)Cl = Cu(OH) + + Cl – .

Степень диссоциации для второго этапа много меньше единицы:

НCO 3 Н + + CO 3 2– ,

Cu(OH) + Cu 2+ + ОН – .

Очевидно, что с увеличением концентрации раствора степень диссоциации ассоциированного электролита уменьшается.

9.7. Реакции ионного обмена в растворах

Согласно теории электролитической диссоциации все реакции в водных растворах электролитов происходят не между молекулами, а между ионами. Для отражения сущности таких реакций используют так называемые ионные уравнения. При составлении ионных уравнений следует руководствоваться следующими правилами:

Малорастворимые и мало диссоциированные вещества, а также газы записываются в молекулярной форме.

Сильные электролиты, практически полностью диссоциированные в водном растворе, записывают в виде ионов.

Сумма электрических зарядов в правой и левой частях ионного уравнения должна быть равной.

Рассмотрим эти положения на конкретных примерах.

Запишем два уравнения реакций нейтрализации в молекулярной форме:

KOH + HCl = KCl + H 2 O, (9.1)

2NaOH + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + 2H 2 O. (9.2)

В ионной форме уравнения (9.1) и (9.2) имеют следующий вид:

K + + OH – + H + + Cl – = K + + Cl – + H 2 O, (9.3)

2Na + + 2OH – + 2H + + SO 4 2– = 2Na + + SO 4 2– + 2H 2 O. (9.4)

Сократив одинаковые ионы в обеих частях уравнений (9.3) и (9.4), преобразуем их в одно сокращенное ионное уравнение взаимодействия щелочи с кислотой:

Н + + ОН – = Н 2 О.

Таким образом, сущность реакции нейтрализации сводится к взаимодействию ионов Н + и ОН – , в результате которого образуется вода.

Реакции между ионами в водных растворах электролитов протекают практически до конца, если в реакции образуются осадок, газ или слабый электролит (например, Н 2 О).

Рассмотрим теперь реакцию между растворами хлорида калия и нитрата натрия:

KCl + NaNO 3 KNO 3 + NaCl. (9.5)

Поскольку образующиеся вещества хорошо растворимы в воде и не удаляются из сферы реакции, то реакция обратима. Ионное уравнение реакции (9.5) запишется следующим образом:

K + + Cl – + Na + + NO 3 – K + + NO 3 – + Na + + Cl – . (9.6)

С точки зрения теории электролитической диссоциации данная реакция не идет, поскольку в растворе все растворимые вещества присутствуют исключительно в виде ионов, уравнение (9.6). Но если смешать горячие насыщенные растворы KCl и NaNO 3 , то выпадет осадок NaCl. Это связано с тем, что при температуре 30 o С и выше самая низкая растворимость среди рассматриваемых солей наблюдается у хлорида натрия. Таким образом, на практике следует учитывать, что процессы, обратимые в одних условиях (в случае разбавленных растворов), становятся необратимыми при каких–то иных условиях (горячие насыщенные растворы).

Частным случаем реакции обмена в растворах является гидролиз.

9.8. Гидролиз солей

Опыт показывает, что не только кислоты и основания, но и растворы некоторых солей имеют щелочную или кислую реакцию. Изменение реакции среды происходит в результате гидролиз а растворенного вещества. Гидролиз – это обменное взаимодействие растворенного вещества (например, соли) с водой.

Электролитическая диссоциация солей и воды является причиной гидролиза. Гидролиз происходит в тех случаях, когда ионы, образующиеся при диссоциации соли, способны оказывать сильное поляризующее действие на молекулы воды (катионы) или давать с ними водородные связи (анионы), что приводит образованию малодиссоциированных электролитов.

Уравнения гидролиза солей принято записывать в ионной и молекулярной формах, при этом необходимо учитывать правила написания ионных уравнений реакций обмена.

Прежде чем приступить к рассмотрению уравнений реакций гидролиза, необходимо отметить, что соли, образованные сильным основанием и сильной кислотой (например, NaNO 3 , ВаCl 2 , Na 2 SO 4), при растворении в воде гидролизу не подвергаются. Ионы таких солей не образуют с Н 2 О слабых электролитов, и растворы этих солей имеют нейтральную реакцию.

Различные случаи гидролиза солей

1. Соли, образованные сильным основанием и слабой кислотой , например, CH 3 COONa, Na 2 CO 3 , Na 2 S, KCN гидролизуются по аниону. В качестве примера рассмотрим гидролиз CH 3 COONa, приводящий к образованию малодиссоциирующей уксусной кислоты:

СН3СОО – + НОН СН 3 СООН + ОН – ,

СН3СООNa + НОН СН 3 СООН + NaОН.

Поскольку в растворе появляется избыток гидроксид ионов, то раствор принимает щелочную реакцию.

Гидролиз солей многоосновных кислот протекает ступенчато, и при этом образуются кислые соли, точнее, анионы кислых солей. Например, гидролиз Na 2 CO 3 может быть выражен уравнениями:

1 ступень:

CO 3 2– + HOH HCO 3 – + OH – ,

Na 2 CO 3 + HOH NaHCO 3 + NaOH.

2 ступень

HCO 3 – + HOH H 2 CO 3 + OH – ,

NaHCO 3 + HOH H 2 CO 3 + NaOH.

Образующиеся в результате гидролиза по первой ступени ионы ОН- в значительной степени подавляют вторую ступень гидролиза, в результате гидролиз по второй ступени протекает в незначительной степени.

2. Соли, образованные слабым основанием и сильной кислотой , например, NH 4 Cl, FeCl 3 , Al 2 (SO 4) 3 гидролизуются по катиону. Примером служит процесс

NH 4 + + HOH NH 4 OH + H + ,

NH 4 Cl + HOH NH 4 OH + HCl.

Гидролиз обусловлен образованием слабого электролита - NH 4 OH (NH 3 ·H 2 O). В результате равновесие электролитической диссоциации воды смещается, и в растворе появляется избыток ионов Н + . Таким образом, раствор NH 4 Cl будет проявлять кислую реакцию.

При гидролизе солей, образованных многокислотными основаниями, образуются основные соли, точнее, катионы основных солей. Рассмотрим в качестве примера гидролиз хлорида железа (II):

1 ступень

Fe 2+ + HOH FeOH + + H + ,

FeCl 2 + HOH FeOHCl + HCl.

2 ступень

FeOH + + HOH Fe(OH) 2 + H + ,

FeOHCl + HOH Fe(OH) 2 + HCl.

Гидролиз по второй ступени протекает незначительно в сравнении с гидролизом по первой ступени и содержание в растворе продуктов гидролиза по второй ступени очень мало.

3. Соли, образованные слабым основанием и слабой кислотой , например, CH 3 COONH 4 , (NH 4) 2 CO 3 , HCOONH 4 , гидролизуются и по катиону, и по аниону. Например, при растворении в воде СH 3 COONH 4 образуются малодиссоциирующие кислота и основание:

СH 3 COO – + NH 4 + + HOH СH 3 COOH + NH 4 OH,

СH3COONH 4 + HOH СH 3 COOH + NH 4 OH.

В этом случае реакция раствора зависит от силы образующихся в результате гидролиза слабых кислоты и основания. Поскольку в рассматриваемом примере СH 3 COOH и NH 4 OH примерно равны по силе, то раствор соли будет нейтральным.

При гидролизе HCOONH 4 реакция раствора будет слабокислой, поскольку муравьиная кислота сильнее уксусной.

Гидролиз ряда солей, образованных очень слабыми основаниями и слабыми кислотами, например, сульфида алюминия, протекает необратимо:

Al 2 S 3 + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2 S.

4. Ряд обменных реакций в растворах сопровождаются гидролизом и протекают необратимо.

А) При взаимодействии растворов солей двухвалентных металлов (кроме кальция, стронция, бария и железа) с водными растворами карбонатов щелочных металлов в результате частичного гидролиза в осадок выпадают основные карбонаты:

2MgSO 4 + 2Na 2 CO 3 + H 2 O = Mg 2 (OH) 2 CO 3 + CO 2 + 2Na 2 SO 4 ,

3 Pb(NO 3) 2 + 3Na 2 CO 3 + H 2 O = Pb 3 (OH) 2 (CO 3) 2 + CO 2 + 6NaNO 3 .

Б) При смешении водных растворов трехвалентных алюминия, хрома и железа с водными растворами карбонатов и сульфидов щелочных металлов не образуются карбонаты и сульфиды трехвалентных металлов – протекает их необратимый гидролиз и в осадок выпадают гидроксиды:

2AlCl 3 + 3K 2 CO 3 + 3H 2 O = 2Al(ОН) 3 + 3СO 2 + 6KCl,

2Cr(NO 3) 3 + 3Na 2 S + 6H 2 O = 2Cr(OH) 3 + 3H 2 S + 6NaNO 3 .

Факторы, влияющие на смещение равновесия

1. Давление (характерно для газов). Увеличение давления смещает равновесие в сторону реакции, идущей с уменьшением числа молекул газа, т.е. в сторону понижения давления. Например, в реакции 2SO 2 + O 2 ↔ 2SO 3 в левой части уравнения 3 молекулы газа, а в правой – 2, поэтому при повышении давления равновесие смещается вправо.

2. Температура. Увеличение температуры смещает положение равновесия в сторону эндотермической реакции, понижение – в сторону экзотермической реакции. Например, в равновесной системе N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3 , ∆H 0 = - 92 кДж повышение температуры приводит к смещению равновесия в сторону обратной (эндотермической) реакции, понижение – в сторону прямой (экзотермической) реакции.

3. Концентрация. Увеличение концентрации исходных веществ и удаление продуктов из сферы реакции смещает равновесие в сторону прямой реакции. Уменьшение концентрации исходных веществ и увеличение концентрации продуктов реакции смещает равновесие в сторону обратной реакции. Например, в реакции 2NO + O 2 ↔ 2NO 2 увеличение концентрации NO и O 2 или уменьшении концентрации NO 2 приводит к смещению равновесия в сторону прямой реакции. Увеличение концентрации NO 2 – в сторону обратной реакции.

Равновесие процесса перехода вещества из одной фазы в другую без изменения химического состава называется фазовым равновесием . Например: Твердое вещество Жидкость

Жидкость Пар

Для фазового равновесия также соблюдается принцип Ле Шателье. Соответственно при повышении температуры равновесие смещается в сторону эндотермического процесса, например, плавления или испарения. С увеличением давления равновесие сдвигается в сторону процессов, при которых газ или пар превращается в жидкое или твердое состояние.

К наиболее общим законам гетерогенного равновесия относится правило фаз , согласно которому число степеней свободы С, фаз Ф, независимых компонентов К и внешних условий n, влияющих на равновесие, связано соотношением

С + Ф = К + n

Фаза – это часть системы, однородная во всех ее точках по химическому составу и свойствам и отделенная от всех других фаз системы поверхностью раздела. Компонент – это химически однородная составная часть вещества, которая может быть выведена из системы. В случае фазового равновесия число независимых компонентов равно общему числу компонентов, при протекании химических реакций - общему числу компонентов за вычетом числа химических реакций, связывающих эти компоненты. Число степеней свободы – это число внешних условий, которые можно менять в определенных пределах без изменения числа и вида фаз.

Лекция № 8.ОБЩИЕ СВОЙСТВА РАСТВОРОВ

Раствор – это гомогенная система, состоящая из двух и более компонентов, относительные количества которых могут изменяться в широких пределах. Вещество, взятое в избытке и служащее средой, в которой идет растворение, называется растворителем . Вещество, которое растворяется, называется растворяемым веществом .

Растворимость. Способность одного вещества растворяться в другом называется растворимостью . Количественной характеристикой растворимости является коэффициент растворимости , который выражается массой безводного вещества, растворяющегося при данных условиях в 100 г растворителя с образованием насыщенного раствора.

Растворимость зависит от природы растворяемого вещества и растворителя, температуры и давления (для газов):

1. Природа растворяемого вещества.

Кристаллические вещества подразделяются на хорошо растворимые (более 1,0 г на 100 г воды); малорастворимые (0,1 г - 1,0 г на 100 г воды); практически нерастворимые (менее 0,1 г на 100 г воды). Если газ химически взаимодействуют с водой, его растворимость велика (HCl, NH 3 , CO 2), если не взаимодействует – растворимость незначительна (O 2 , H 2).

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.

3.Температура

Если ∆Н растворения < 0, то при увеличении температуры равновесие смещается влево и растворимость твердого вещества в воде уменьшается. Если ∆Н раств > 0, то при увеличении температуры равновесие смещается вправо и растворимость увеличивается.

Растворимость газов в воде – процесс экзотермический, поэтому с повышением температуры растворимость газов уменьшается, а с понижением – увеличивается.

4. Давление

С повышением давления растворимость газов в жидкостях увеличивается, а с понижением уменьшается.

Способы выражения состава растворов. Важной характеристикой любого раствора является его состав, который определяется количеством растворенного вещества и растворителя. Отношение количества или массы вещества, содержащегося в системе, к объему или массе этой системы называется концентрацией .

Молярная концентрация вещества или молярность (с В или М) – отношение количества растворенного вещества к объему раствора:

где m B – масса вещества, г; М В –молярная масса вещества, г/моль; V – объем раствора, л.

Молярная концентрация эквивалентов вещества или нормальность ((В) или н.) – отношение количества эквивалентов растворенного вещества к объему раствора:

, моль/л,

где m B – масса вещества, г; М э(В) – молярная масса эквивалентов вещества, г/моль; V – объем раствора, л.

Моляльная концентрация вещества или моляльность (с m (В)) – отношение количества растворенного вещества к массе растворителя:

, моль/кг,

где m B – масса растворенного вещества, г; m S – масса растворителя, г; М В – молярная масса растворенного вещества, г/моль.

Массовая доля вещества (ω) – отношение массы растворенного вещества к массе раствора. Массовую долю выражают в долях или процентах:

,

где m B – масса растворенного вещества, г; m – масса раствора, г.

Молярная (мольная) доля вещества (х В) – отношение количества растворенного вещества (или растворителя) к сумме количеств всех веществ, содержащихся в растворе:

,

где х B – молярная доля растворенного вещества, n B – количество растворенного вещества; n S – количество растворителя.

,

где х S – молярная доля растворителя, n B и n S – количества растворенного вещества и растворителя.

Общие свойства растворов. Разбавленные растворы проявляют ряд общих свойств: осмотическое давление, температуры замерзания и кипения. Эти свойства рассматривают при допущении, что молекулы растворенного вещества и растворителя не взаимодействуют друг с другом (растворы неэлектролитов).

Односторонняя диффузия молекул растворителя через полупроницаемую перегородку называется осмосом . Сила, обусловливающая осмос, называется осмотическим давлением . Величина осмотического давления зависит от концентрации раствора и его температуры, но не зависит ни от природы растворенного вещества, ни от природы растворителя. Зависимость осмотического давления от температуры и концентрации раствора выражается законом Вант-Гоффа : π = c B RT,

где π – осмотическое давление раствора, кПа; с В – его молярная концентрация, моль/л; R – универсальная газовая постоянная; T – абсолютная температура раствора.

При данной температуре давление насыщенного пара над жидкостью – величина постоянная. При растворении в жидкости какого-либо вещества давление насыщенного пара над жидкостью понижается. В разбавленных растворах неэлектролитов при постоянной температуре относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором равно молярной доле растворенного вещества (закон Рауля ):

,

где р 0 – давление насыщенного пара над чистым растворителем; р – давление пара над раствором; n B – количество растворенного вещества; n S – количество растворителя.

Любая жидкость закипает, когда давление ее пара становится равным атмосферному давлению. Так как, давление пара над раствором ниже давления пара над растворителем, то для того, чтобы раствор закипел, его надо нагреть до более высокой температуры, чем растворитель.

Замерзает раствор тогда, когда давление насыщенного пара его становится равным давлению насыщенного пара твердого растворителя, следовательно для замерзания раствора нужна более низкая температура, чем для растворителя.

Повышение температуры кипения (ΔТ кип) и понижение температуры замерзания (∆Т зам) раствора прямо пропорционально моляльной концентрации растворенного вещества (следствие закона Рауля ):

∆Т зам = К Т ∙ с m (B); ∆Т кип = Э Т ∙ c m (B),

где ∆Т зам – понижение температуры замерзания; ∆Т кип – повышение температуры кипения; К Т – криоскопическая константа; Э Т – эбулиоскопическая константа; c m (B) – моляльная концентрация раствора.

Лекция № 9. РЕАКЦИИ В РАСТВОРАХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ

Электролиты – это вещества, растворы и расплавы которых проводят электрический ток.

При растворении электролитов в воде происходит их распад на ионы. Распад молекул вещества на ионы под действием полярных молекул растворителя называется электролитической диссоциацией . Ионы – это заряженные частицы. Бывают двух типов: положительно заряженные – катионы (Na + , Al 3+ , NH 4 +) и отрицательно заряженные – анионы (Cl ‾ , SO 4 2‾ , PO 4 3‾). Под действием электрического тока катионы движутся к отрицательно заряженному электроду (катоду), анионы – к положительно заряженному электроду (аноду).

К электролитам относятся растворы кислот, солей и щелочей.

Кислоты – это электролиты, диссоциирующие в растворах с образованием катионов водорода: HCN= H + + CN - .

Основания – электролиты, диссоциирующие в растворах с образованием гидроксид- ионов: NH 4 OH= NH 4 + + OH - .

Существуют электролиты, которые могут диссоциировать по типу кислоты и по типу основания, такие электролиты называются амфотерными , к ним относятся гидроксиды амфотерных элементов, а также гидроксиды металлов, находящихся в промежуточной степени окисления, например: Al(OH) 3 , Zn(OH) 2 , Cr(OH) 3 и многие другие. Диссоциацию растворенной части амфотерного гидроксида по обоим типам можно представить следующей схемой: H + + RO - = ROH = R + + OH – . В насыщенном водном растворе амфотерного гидроксида ионы H + , RO - , R + , OH - находятся в состоянии равновесия, поэтому амфотерные гидроксиды взаимодействуют и с кислотами и с основаниями. При добавлении кислоты равновесие смещается в сторону диссоциации по типу основания, при добавлении основания – в сторону диссоциации по типу кислоты.

Соли – электролиты, которые при растворении в воде диссоциируют, отщепляя положительные ионы, отличные от ионов водорода и отрицательные, отличные от гидроксид-ионов.

Степень диссоциации. Для количественной характеристики процесса диссоциации введено понятие степень диссоциации. Степенью диссоциации (α) называется отношение числа молекул, распавшихся на ионы (n), к общему числу растворенных молекул (N) . Выражается в долях единицы или в %.

α = n / N 0 < α < 1 (или 0 < α < 100%)

Степень диссоциации зависит от природы электролита, его концентрации и температуры. По своей природе все электролиты делятся на сильные и слабые. Степень диссоциации сильных электролитов α > 30%, слабых электролитов – α < 3%.

У сильных электролитов в растворе диссоциируют на ионы практически все молекулы, у слабых – лишь часть молекул. К сильным электролитам относятся почти все соли, основания щелочных и щелочноземельных металлов, а из важнейших кислот: HClO 4 , H 2 SO 4 , HNO 3 , HCl, HBr, HI, HMnO 4 . К слабым электролитам относятся почти все органические кислоты, (например, CH 3 COOH), неорганические соединения: H 2 CO 3 , H 2 SO 3 , H 2 SiO 3 , HCN, HNO 2 , HF, NH 4 OH, H 2 O.

Константа диссоциации. В растворах слабых электролитов процесс диссоциации протекает обратимо и к нему может быть применен закон действия масс. Так, для процесса диссоциации слабой уксусной кислоты CH 3 COOH ↔ CH 3 COO - + H + константа равновесия процесса диссоциации имеет вид:

Константа равновесия, отвечающая диссоциации слабого электролита, называется константой диссоциации (К д) . Константа диссоциации указывает на прочность молекулы в данном растворе. Чем меньше К д, тем слабее электролит и тем, следовательно, устойчивее его молекулы. Например, борная кислота Н 3 ВО 3 , К д которой 5,8∙10 -10 , более слабый электролит, чем уксусная, К д которой равна 1,8∙10 -5 .

Константа и степень диссоциации связаны соотношением (закон разбавления Оствальда ):

Если α значительно меньше единицы, то можно принять, что 1 – α ≈ 1. Тогда выражение закона разбавления упрощается:

К = α 2 ∙ с В, откуда α =

Последнее соотношение показывает, что при уменьшении концентрации электролита с В (т.е. с разбавлением раствора) степень диссоциации α увеличивается.

Реакции в растворах электролитов протекают между ионами и идут необратимо, если в результате реакции образуются осадки, газы и слабые электролиты. Обычно такие реакции изображаются при помощи ионно-молекулярных уравнений. Осадки, газы и слабые электролиты пишутся в виде молекул, хорошо растворимые сильные электролиты – в виде ионов.

Рассмотрим типичные варианты реакций в растворах электролитов:

а) 3АgNO 3 + FeCl 3 = Fe(NO 3) 3 + 3AgCl – молекулярное уравнение

3Ag + + 3NO 3 - + Fe 3+ + 3NO 3 - + 3AgCl – полное ионное уравнение

Ag + + Cl - = AgCl – сокращенное ионное уравнение

б) Na 2 CO 3 + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + H 2 O + CO 2

2Na + + CO 3 2- + 2H + + SO 4 - = 2Na + + SO 4 2- + H 2 O + CO 2

2H + + CO 3 2- = H 2 O + CO 2 .

в) HCl + NaOH = NaCl + H 2 O

H + + Cl - + Na + + OH - = N a + + Cl - + H 2 O

H + + ОH - = H 2 O

При составлении ионно-молекулярных уравнений следует помнить, что сумма электрических зарядов в левой части должна быть равна сумме электрических зарядов в правой части уравнения. Одинаковые ионы из обеих частей уравнения исключаются.

Лекция №10. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ

Реакции, в которых происходит изменение степеней окисления атомов элементов, входящих в состав реагирующих соединений, называются окислительно-восстановительными.

Степень окисления (С.О.) – это заряд атома в соединении, вычисленный, исходя из предположения, что соединение состоит из ионов . Определение степени окисления проводят, используя следующие положения:

1. Степень окисления. элемента в простом веществе, например, в Zn, H 2 , Вг 2 , S, O 2 , равна нулю.

2. Cтепень окисления кислорода в соединениях обычно равна –2. Исключения составляют пероксиды H 2 +1 O 2 –1 , Na 2 +1 O 2 –1 и О +2 F 2 .

3. Степень окисления водорода в большинстве соединений равна +1, за исключением солеобразных гидридов, например, Na +1 H -1 .

4. Постоянную степень окисления имеют щелочные металлы (+1); щелочноземельные металлы, бериллий и магний (+2); фтор (–1).

5. Алгебраическая сумма степеней окисления элементов в нейтральной молекуле равна нулю, в сложном ионе – заряду иона.

В качестве примера рассчитаем степень окисления хрома в соединении К 2 Cr 2 O 7 . Сначала поставим степень окисления над теми элементами, для которых она известна. В нашем примере постоянную степень окисления имеют калий (+1) и кислород (-2). Степень окисления хрома обозначим через х . Далее составляем алгебраическое уравнение. Для этого индекс при каждом элементе умножаем на степень окисления этого элемента, все складываем и приравниваем правую часть нулю:

К 2 +1 Сr 2 х O 7 –2 2∙(+1)+ 2x + 7 (–2) = 0 x = + 6

Таким образом, степень окисления хрома в К 2 Cr 2 O 7 равна +6. Чтобы определить степень окисления элемента в анионе, например азота в анионе (NO 2) ‾ , поступаем точно также, только правую часть приравниваем заряду иона, в нашем случае -1

(N х O 2 ‾2) ‾ x + 2 (–2) = –1 x = + 3

В окислительно-восстановительных реакциях электроны от одних атомов, молекул или ионов переходят к другим. Окисление – процесс отдачи электронов атомом, молекулой или ионом, сопровождающийся повышением степени окисления . Восстановление – процесс присоединения электронов, сопровождающийся понижением степени окисления.

Окисление и восстановление – взаимосвязанные процессы, протекающие одновременно.

Дарвин показал, что основные факторы эволюции органического мира, то есть наследственная изменчивость, борьба за существование и естественный отбор, приложимы и к эволюции человека. Благодаря им организм древней человекообразной обезьяны претерпел ряд морфофизиологических изменений, в результате которых выработалась вертикальная походка, разделились функции рук и ног.

Для объяснения антропогенеза недостаточно одних биологических закономерностей. Качественное своеобразие его вскрыл Ф.Энгельс, указав на социальные факторы: труд, общественную жизнь, сознание и речь. Труд - важнейший фактор эволюции человека

Труд начинается с изготовления орудий труда. Это, по словам Энгельса, «первое основное условие всей человеческой жизни, и притом в такой степени, что мы в известном смысле должны сказать: труд создал самого человека». Основной движущей силой антропогенеза явился труд, в процессе которого человек сам создает орудия труда. Наиболее высокоорганизованные животные могут употреблять предметы в качестве готовых орудий, но не способны создатьих. Животные только пользуются дарами природы, человек же изменяет ее в процессе труда. Животные также изменяют природу, но не преднамеренно, а лишь потому, что находятся и живут в природе. Их воздействие на природу сравнительно с воздействием на нее человека ничтожно.

Морфологические и физиологические преобразования наших обезьяноподобных предков правильнее будет назвать антропоморфозами, так как вызвавший их основной фактор - труд - был специфичен только для эволюции человека. Особенно важным было возникновение прямой походки. Размеры и масса тела обезьян увеличились, возник S-образный изгиб позвоночного столба, придавший ему гибкость, образовалась сводчатая пружинящая стопа, расширился таз, упрочился крестец, челюстной аппарат стал более легким и т.д. Прямохождение установилось не сразу. Это был весьма длительный процесс отбора наследственных изменений, полезных в трудовой деятельности. Предположительно он длился миллионы лет. Биологически прямохождение принесло человеку немало осложнений. Оно ограничило быстроту его передвижения, лишило подвижности крестец, что затруднило роды; длительное стояние и ношение тяжестей иногда приводит к плоскостопию и расширению вен на ногах. Зато благодаря прямохождению освободились руки для орудий труда. Возникновение прямохождения, по мнению Ч.Дарвина, а затем Ф.Энгельса, стало решающим шагом на пути от обезьяны к человеку. Благодаря прямохождению у обезьяноподобных предков человека руки освободились от необходимости поддерживать тело при передвижении по земле и приобрели способность к разнообразным движениям.

В начале процесса формирования человека рука у него была слаборазвитой и могла производить лишь самые простые действия. Особи с наследственными изменениями верхних конечностей, полезными для трудовых операций, преимущественно сохранялись благодаря естественному отбору. Ф.Энгельс писал, что рука не только орган труда, но и продукт труда. Различие между рукой человека и рукой человекообразных обезьян огромно: ни одна обезьяна не может изготовить своей рукой даже самый простой каменный нож. Понадобилось весьма длительное время для того, чтобы наши обезьяноподобные предки перешли от использования предметов окружающей природной среды в качестве орудий к их изготовлению. Самые примитивные орудия труда облегчают зависимость человека от окружающей природы, расширяют его кругозор, открывая в предметах природы новые, неизвестные свойства; наконец, они используются для дальнейшего совершенствования орудий труда.

Развитие трудовой деятельности приводит к ослаблению действия биологических закономерностей и усилению роли социальных факторов в антропогенезе.

Общественный образ жизни как фактор эволюции человека. С самого начала труд был общественным, так как обезьяны жили стадами. Ф.Энгельс указывал, что неправильно было бы искать предков человека, самого общественного существа в природе, среди необщественных животных. Стадность обезьяньих предков человека развивалась в общественное поведение под воздействием особого фактора. Таким фактором был труд, тесно связанный с преобразованием руки в орган труда. Труд способствовал сплочению членов общества; они коллективно защищались от зверей, охотились и воспитывали детей. Старшие члены общества обучали младших отыскивать природные материалы и изготовлять орудия, учили приемам охоты и сохранения огня. С развитием трудового процесса все яснее становилась польза взаимной поддержки и взаимопомощи.

Древнейшие орудия охоты и рыбной ловли свидетельствуют о том, что наши предки уже на ранних стадиях употребляли мясную пищу. Обработанная и приготовленная на огне, она уменьшала нагрузку на жевательный аппарат. Теменной гребень, к которому у обезьян прикрепляются мощные жевательные, потерял свое биологическое значение, сделался бесполезным и постепенно исчез в процессе естественного отбора; по той же причине переход от растительной пищи к смешанной привел к укорочению кишечника. Применение огня помогало защищаться от холода и зверей.

Накапливаемый жизненный опыт в познании природы совершенствовался от поколения к поколению. При жизни обществом имелись большие возможности для общения друг с другом: совместная деятельность членов общества вызвала необходимость сигнализации жестами, звуками. Первые слова были связаны с трудовыми операциями и обозначали действие, работу, а названия предметов появились позднее. Неразвитая гортань и ротовой аппарат предков человека в результате наследственной изменчивости и естественного отбора преобразовались в органы членораздельной речи человека. Человек, как и животные, воспринимает сигналы из окружающего мира через непосредственное раздражение органов чувств - это первая сигнальная система. Но человек способен воспринимать сигналы словом - он обладает второй сигнальной системой. Она составляет качественное различие высшей нервной деятельности человека и животных.

Возникновение речи усилило общение наших предков на почве совместного трудового процесса и, в свою очередь, способствовало развитию общественных отношений. Эволюция наших предков происходила под совместным действием социальных и биологических факторов. Естественный отбор постепенно утратил значение в эволюции человеческого общества. Все усложнявшиеся трудовые процессы изготовления орудий труда и предметов быта, членораздельная речь и жесты, мимика содействовали развитию головного мозга и органов чувств.

Развитие головного мозга, мышления, сознания стимулировало в то же время совершенствование труда и речи. Все полнее и лучше осуществлялась преемственность трудового опыта в поколениях. Только в обществе мышление человека могло достигнуть столь высокого развития.

Если морфологические и физиологические особенности человека передаются по наследству, то способности к коллективной трудовой деятельности, мышлению и речи никогда не передавались по наследству и не передаются теперь. Эти специфические качества исторически возникли и совершенствовались под действием социальных факторов и развиваются у каждого человека в процессе его индивидуального развития только в обществе благодаря воспитанию и образованию.

Итак, движущими силами антропогенеза являлись биологические факторы (наследственная изменчивость, борьба за существование и естественный отбор) и социальные (факторы (трудовая деятельность, общественный образ жизни, речь и мышление).

Входной контроль:

	вопрос	вариант ответа
	Раствор:	а) Сосредоточение, накапливание каких-либо веществ в определённом порядке.
	Коацервация:	б) Поглощение вещества из жидкой среды поверхностным слоем твёрдого тела, обычно имеющим большую площадь.
	Коацерват:	в) Пузырьки жидкости, окружённые белковыми плёнками, возникающие при взбалтывании водных растворов белков.
	Микросферы Фокса:	г) Фаза раствора с более высокой концентрацией веществ, окружённая определённым образом ориентированными диполями воды.
	Адсорбция:	д) Разделение раствора высокомолекулярных соединений на фазы с большей и меньшей концентрацией молекул.
	Концентрирование:	е) Однородные смеси двух или большего числа веществ, которые распределены в растворителе в виде отдельных атомов, ионов или молекул.

Ход выполнения работы:

Задание №1

Прочитайте текст «Многообразие теорий возникновения жизни на Земле», результаты оформите в таблицу:

Ответьте на вопрос : Какой теории придерживаетесь вы лично? Почему?

Задание №2

Прочитайте текст «Гипотезы происхождения человека», результаты оформите в таблицу:

Ответьте на вопрос : Какие взгляды на происхождение человека вам ближе всего? Почему?

Задание № 3

Найдите в учебнике описание сходства и различия человека и высших человекообразных обезьян, результаты оформите в таблицу:

«Отличие человека от человекообразных обезьян»

Сравниваемые признаки	Человек	Человекообразные обезьяны
Особенности строения скелета
Череп
Надбровные дуги
Положение тела при ходьбе
Позвоночник
Грудная клетка
Длина рук
Большой палец руки
Кисть руки
Стопа
Таз
Функция рук
Образ жизни
Взаимоотношения со средой
Высшая нервная деятельность (функции мозга)
Особенности строения мозга
Средства общения

Приложение №1

Приложение №2

Приложение 3

Выходной контроль:

Найдите соответствие между понятием и его определением, ответы оформите в таблицу:

	вопрос	вариант ответа
	Древнейший человек:	А. Перемещение по земле на задних конечностях, что позволило высвободить руки для защиты и добычи пищи.
	Неандерталец:	Б. Первые современные люди, характеризовавшиеся прямохождением и обладавшие членораздельной речью.
	Кроманьонец:	В. Группа людей, живших менее 200 тыс. лет тому назад.
	Прямохождение:	Г. Неоднородная группа людей, относящаяся к роду Человек и включающая питекантропов, синантропов и др. Жили около 1 млн лет назад.
	Сходство всех процессов жизнедеятельности особей одного вида:	Д. Вид коммуникативной деятельности человека, при которой использование средств языка для общения приобретает устойчивый понятийный характер.

Приложение №4

Сделайте общий вывод в соответствии с целями, поставленными перед вами в этой работе.

Список литературы:

Основные источники:

1. Захаров В.Б., Мамонтов С.Г., Сонин Н.И. Общая биология. 10 кл. Рабочая тетрадь. – М., 2009.
2. Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. Общая биология. 10-11 кл. – М., 2009.
3. Константинов В.М., Рязанова А.П. Общая биология. Учеб. пособие для СПО. – М., 2010.
4. Пономарева И.Н., Корнилова О.А., Лощилина Е.Н. Общая биология. 10 кл. Учебник. – М., 2010.
5. Пономарева И.Н., Корнилова О.А., Лощилина Е.Н. Общая биология. 11 кл. Учебник. – М., 2010.
6. Чебышев Н.В. Биология. Учебник для Ссузов. – М., 2010.

Интернет – ресурсы:

1. www.twirpx.com - Учебные материалы;

2. tana.ucoz.ru- Персональный сайт учителя биологии;

3. www.amgpgu.ru - Лекционный курс;

4. www.uchportal.ru – Учительский портал;

5. http://o5-5.ru – 5 и 5 Учебный материал;

6. http://pptx.ru/ - Коллекция презентаций PowerPoint.

Дополнительные источники:

Похожая информация.

§ 1. Растворы (определение). Концентрация.

Растворами называются фазы, состав которых можно изменять непрерывно (в известных пределах), т. е. фазы переменного состава 2 . Таким образом, растворы – это однородные смеси молекул (в частных случаях – также атомов, ионов) двух или более веществ, между которыми имеются физические и, нередко, химические взаимодействия.

Ассоциация молекул какого-либо соединения и сольватация (соединение молекул растворенного вещества и молекул растворителя в непрочные комплексы), не ведущие к образованию особенно больших ассоциатов, не нарушают однородности раствора.

Иной характер имеют смеси, в которых частицы одной из составных частей смеси состоят из большого числа молекул и являются, как правило, микрокристаллами со сложной структурой поверхностного слоя. Такие смеси неоднородны, хотя на первый взгляд и могут казаться однородными. Они микрогетерогенны. Эти смеси называются дисперсными системами. Между обоими классами смесей возможны непрерывные переходы. Впрочем, подробному обсуждению свойств дисперсных систем посвящена вторая часть нашего курса.

Растворы, как правило, термодинамически устойчивы, и их свойства не зависят от предыдущей истории, тогда как дисперсные системы очень часто неустойчивы и обнаруживают тенденцию к самопроизвольному изменению.

Простейшие составные части раствора, которые могут быть выделены в чистом виде и смешением которых можно получить растворы любого возможного состава, будем называть компонентами раствора.

Во многих случаях деление их на растворитель и растворенные вещества условно. Обычно компонент, находящийся в избытке по сравнению с другими, называют растворителем, остальные же компоненты – растворенными веществами. Так, можно иметь растворы спирта или серной кислоты в воде и растворы воды в спирте или в серной кислоте. Если одним из компонентов раствора является жидкость, а другими – газы или твердые вещества, то растворителем считают жидкость.

Основными параметрами состояния раствора, наряду с давлением и температурой, являются концентрации, т. е. относительные количества компонентов в растворе. Концентрации могут быть выражены разными способами в различных единицах: количества компонентов могут быть отнесены к известному количеству раствора или растворителя, количества растворенных веществ могут быть выражены в весовых единицах и в молях; количество растворителя или раствора – в весовых единицах, в молях и в объемных единицах.

Рассмотрим некоторые наиболее употребительные способы и единицы измерения концентраций растворов. Обозначим при этом массы компонентов, выраженные в граммах («весовые» количества), через m 1 , m 2, ..., m i , а сумму масс компонентов – через  m i ; числа грамм-молекул или молей компонентов – через n 1 , n 2 , ..., n i , а их сумму – n i ; объём раствора – через V , объёмы чистых компонентов – через V 1 , V 2 ... V i . Индекс 1 относится к растворителю в тех случаях, если таковым может быть однозначно назван один из компонентов раствора.

Количества веществ относятся к известному количеству раствора.

1. Массовая доля W i – масса компонента в единице массы раствора:

(IV, 1а)

Массовый процент Р i – масса компонента в ста единицах массы раствора:

P i = 100W i . (IV, 1б)

2. Мольная доля x – число молей компонента в одном моле раствора:

(IV, 1в)

Мольные доли наиболее удобны при теоретическом (термодинамическом) изучении растворов. Из выражения (IV, 1в) видно, что

x i = 1

3. Объемная доля i – объём чистого компонента в единице объёма раствора:

(IV,1г)

4. Мольно-объёмная концентрация – мольность С i – число молей компонента в единице объёма раствора:

(IV,1д)

В том случае, когда единицей объёма раствора является литр, мольно-объемную концентрацию называют молярностью.

5. Мольно-весовое отношение – число молей компонента, приходящееся на известное весовое количество другого компонента, обычно растворителя. Мольно-весовое отношение, выраженное числом молей компонента в 1000 г растворителя, называется моляльностью M i :

(IV, 1е)

Концентрации могут быть выражены также и в других единицах.

Перейти от одних единиц концентрации к другим можно, составив уравнение связи между этими единицами. В случае пересчета объемных единиц концентрации на весовые или мольные и обратно, необходимо знать плотность раствора. Следует помнить, что только в очень разбавленных растворах (т. е. для компонента, количество которого мало по сравнению с другими) концентрации, выраженные в различных единицах, пропорциональны между собой.

§ 2. О молекулярной структуре растворов

Представление о жидкости, как о совершенно аморфной фазе, в которой молекулы расположены хаотически, подобно молекулам газа, в настоящее время оставлено. Исследования по рассеянию света и рентгеновского излучения показали, что жидкости обладают элементами кристаллической структуры (наличием так называемого ближнего порядка в расположении молекул) и в этом отношении являются промежуточным образованием между твёрдыми кристаллами и газами. По мере нагревания жидкости сходство её структуры с кристаллами уменьшается и увеличивается сходство с газами.

Взаимодействие между молекулами в индивидуальных жидкостях является в основном ван-дер-ваальсовым взаимодействием . Под этим названием объединяются несколько типов межмолекулярного притяжения, являющихся частными случаями электростатического взаимодействия. К ним относятся: ориентационное притяжение между молекулами с постоянным диполем, индукционное притяжение между молекулами с постоянным диполем и молекулами с наведенным диполем и дисперсионное притяжение между мгновенными диполями молекул, момент которых колеблется около нуля.

Энергия взаимного притяжения молекул для всех указанных типов взаимо­действия обратно пропорциональна шестой степени расстояния между ними. Указанные взаимодействия в некоторых случаях приводят к ассоциации молекул жидкости (так называемые ассоциированные жидкости). Между молекулами ассоциированной жидкости образуются неустойчивые связи. К таким связям относится водородная связь, которая создается за счет электростатического притяжения протона одной молекулы к аниону или электроотрицательному атому (главным образом, к атомам фтора, кислорода, азота, хлора) другой молекулы.

Притяжению молекул противодействует отталкивание, имеющее значение при малых расстояниях и обусловленное, в основном, взаимодействием электронных оболочек. Это отталкивание в совокупности с тепловым движением уравновешивает притяжение. Таким образом, устанавливаются средние равновесные расстояния между движущимися (колеблющимися, вращающимися и эпизодически перемещающимися) молекулами жидкости.

Термодинамической мерой молекулярного взаимодействия в жидкости в известных границах может служить величина ( U /  V ) P .

В растворе наряду с взаимодействием между молекулами одного из компонен­тов (однородные молекулы) существует взаимодействие между молекулами разных компонентов (разнородные молекулы). Эти взаимодействия при отсутствии химической реакции, так же как и в чистой жидкости, являются ван-дер-ваальсовыми. Однако молекулы растворенного вещества (второго компонента), изменяя окружение молекулы растворителя (первого компонента), могут существенно изменять интенсивность взаимодействия между молекулами последнего и сами взаимодействовать между собой иначе, чем в чистом втором компоненте. Взаимодействие между разнородными молекулами может следовать иным закономерностям, нежели взаимодействие между однородными молекулами.

Тенденции к ассоциации (соединение однородных молекул) и сольватации (соединение разнородных молекул) являются конкурирующими.

Рассмотрим здесь в качестве примеров диаграммы, изображающие зависимость некоторых свойств бинарных жидких систем от их состава, по которым можно установить наличие химического соединения между компонентами раствора. На рис.4 изображены изотермы теплоты смешения (Q ) компонентов, объёмного сжатия ( V ) при смешении и вязкости ( ) растворов пиперидин – аллиловое горчичное масло (C 3 N 5 NCS). Все свойства обнаруживают более или менее резкий излом в максимуме при отношении компонентов 1:1. Точка излома в максимуме, называемая сингулярной точкой, указывает на образование прочного химического соединения, содержащего компоненты в приведённом отношении.

Рис.4. Зависимость некоторых свойств раствора С 3 Н 5 NCS – C 5 H 10 NH от состава.

Таким образом, физико-химический анализ однофазных жидких систем дает в отдельных случаях отчетливые указания на существование определённых химических соединений. Большей же частью, существование определённых соединений в растворе не может быть установлено.

§ 3. О теориях растворов

В течение длительного времени растворение рассматривалось в основном как химический процесс. Этого взгляда придерживался и Д. И. Менделеев, исключавший при этом из рассмотрения смеси жидкостей, близких по своей природе (например, смеси углеводородов). Иной взгляд на процесс растворения развивал один из ярких представителей «физической» теории растворов В. Ф. Алексеев, который изложил (1870 1880) ясную точку зрения на растворение, как на суммарный результат молекулярного движения и взаимного сцепления молекул. Алексеев считал химическое взаимодействие важным, но не обязательным фактором растворения и полемизировал с Менделеевым.

Впоследствии Менделеев признал важную роль физического фактора при образовании растворов, но высказывался против крайнего, чисто физического взгляда на природу растворов. Физическая теория растворов получила особенное развитие после 80 х годов прошлого века в связи с успехами в изучении разбавленных растворов (Вант-Гофф, Аррениус, Оствальд). Была создана первая количественная теория растворов, связанная с представлением о растворенном веществе как о газе, распространяющемся в инертном растворителе. Однако вскоре было обнаружено, что количественная теория Вант-Гоффа – Аррениуса справедлива только для очень разбавленных растворов. Многие факты указывали на взаимодействие компонентов раствора. Все попытки рассмотреть с единой точки зрения растворы любых концентраций приводили к необходимости учета химического фактора.

В последние десятилетия борьба двух точек зрения уступила место признанию важного значения обоих факторов и невозможности их противопоставления. Однако сложность и разнообразие закономерностей, охватывающих свойства растворов различных веществ, делают теорию растворов труднейшей проблемой молекулярной физики и учения о химических связях.

Отклонения от простейших свойств обусловливает, например, полярность молекул. В растворах полярных молекул происходят явления ассоциации и сольватации, в результате которых свойства раствора становятся более сложными. Отклонения свойств раствора от простейших вызываются также химическим взаимодействием компонентов раствора. Оно обычно сопровождается выделением теплоты и уменьшением вероятности перехода в газовую фазу молекул компонента, частично связанных в более сложные соединения.

ГЛАВА V. РАВНОВЕСИЕ: ЖИДКИЙ РАСТВОР – НАСЫЩЕННЫЙ ПАР

§ 1. Давление насыщенного пара бинарных жидких растворов

Газообразная фаза, находящаяся в равновесии с жидким раствором (насыщенный пар), содержит, в общем случае, все компоненты раствора, и давление насыщенного пара, которое также часто называют упругостью пара, является суммой парциальных давлений компонентов 3 . Однако часто отдельные компоненты нелетучи при данной температуре и практически отсутствуют в газообразной фазе.

Суммарное давление насыщенного пара (полное или общее давление) и парциальные давления являются функциями температуры и состава раствора. При постоянной температуре состояние бинарного раствора компонентов А и В определяется одной переменной – концентрацией одного из компонентов.

Удобной мерой концентрации является мольная доля. Будем обозначать мольную долю x 2 второго компонента в растворе через х. Очевидно, мольная доля первого компонента х 1 = 1 – х. Границами изменения х 1 и x 2 являются ноль и единица; следовательно, диаграмма, отображающая зависимость давления пара раствора от его состава (диаграмма давление – состав), имеет конечное протяжение. Один из возможных видов диаграммы P – x для раствора двух жидкостей, смешивающихся во всех отношениях (мольная доля х принимает любое значение – от ноля до единицы), изображен на рис.5. Крайними точками кривой P = f (x ) являются давления насыщенного пара чистых жидкостей и. Общее давление пара при любом значении х равно сумме парциальных давлений компонентов: P = P 1 + P 2 .

Состав насыщенного пара определяется мольными долями компонентов в паровой фазе х" 1 и х" 2 ,. По определению парциальных величин (уравнение Дальтона):

x" 1 = x" 2 =

§ 2. Закон Рауля. Идеальные растворы. Предельно разбавленные растворы

В простейшем случае зависимость парциального давления пара растворителя от состава бинарного раствора имеет следующий вид:

Парциальное давление растворителя в паровой фазе пропорционально его мольной доле в растворе.

Рис.5. Общее и парциальные давления пара бинарного раствора: дибромпропан – дибромэтан. Парциальные давления на диаграмме P – x изображаются прямыми линиями.

Уравнению (V, 1) можно придать иной вид:

(V, 2)

Относительное понижение парциального давления растворителя в паровой фазе равно мольной доле растворенного вещества (второго компонента) . Уравнения (V, 1) и (V, 2) являются выражениями закона Рауля (1886). Закон Рауля, выраженный в форме уравнения (V, 1), применим к таким растворам, насыщенный пар которых ведет себя как идеальный газ, причем лишь немногие растворы подчиняются с достаточной точностью этому закону, при любых концентрациях (т. е. при значениях x , изменяющихся в интервале от 0 до 1).

Обычно при повышении температуры (пока давление насыщенного пара относительно невелико) отклонения от закона Рауля в форме (V, 1) уменьшаются. Но при достаточно высоких температурах, когда давление насыщенного пара раствора очень велико, уравнение (V, 1) становится неточным, так как возрастают отклонения пара от закона идеальных газов.

Растворы, следующие закону Рауля в форме уравнения (V, 1) при всех концентрациях и всех температурах, называются идеальными (совершенными) растворами, они являются предельным, простейшим типом жидких растворов.

Легко показать, что если для пара растворителя соблюдается уравнение (V, 1), то должно соблюдаться аналогичное уравнение для пара второго, растворённого компонента

(V, 3)

Уравнения (V, 1) и (V, 3) отражают свойства парциальных давлений идеальных растворов при малых давлениях. Совокупность этих уравнений носит название объединенного закона Рауля – Генри. В общем виде для многокомпонентного идеального раствора при невысоких давлениях получим:

(V, 4)

Уравнения (V, 1), (V, 3) и (V, 4) будут в дальнейшем изложении служить исходными для изучения термодинамических свойств идеальных растворов при небольших давлениях.

Полное давление пара идеального бинарного раствора, равное

является также линейной функцией мольной доли.

Примерами идеальных растворов (см. рис.5) могут служить смеси: бензол -толуол, бензол – дихлорэтан, гексан – октан и другие.

Составы идеального раствора и его насыщенного пара различны, т. е. х. В данном случае легко найти связь между и х. В самом деле, концентрация второго компонента в паре
. Подставив в это выражение значение P 2 из закона Рауля (уравнение (V, 3)) и значение P из уравнения (V, 5), получим:

(V, 6)

Отсюда видно, что = х только при равенстве давлений насыщенного пара обоих чистых компонентов, т. е. при
.

§ 3. Реальные растворы. Положительные и отрицательные отклонения от закона Рауля

Закон Рауля не выполняется для реальных растворов. Парциальные давления этих растворов больше или меньше давлений паров идеальных растворов. Отклонения от закона Рауля в первом случае называются положительными (общее давление пара больше аддитивной величины), а во втором случае – отрицательными (общее давление пара меньше аддитивной величины).

Примерами растворов с положительными отклонениями от законов Рауля могут служить растворы: ацетон – этиловый спирт, бензол – ацетон, вода – метиловый спирт.

Рис.6. Диаграмма давления пара над раствором С 6 Н 6 – (СН 3) 2 СО.

На рис.6 изображена диаграмма P – х для одного из этих растворов (бензол – ацетон).

К растворам с отрицательными отклонениями от законов Рауля относятся, например, растворы: хлороформ – бензол, хлороформ – диэтиловый эфир.

Диаграмма давления пара над раствором хлороформ – диэтиловый эфир показана на рис.7.

Рис.7. Диаграмма давления пара над раствором (С 2 Н 5) 2 О – СНСl 3 .

Величины общего давления P в этих системах изменяются монотонно с изменением величины х. Если отклонения от закона идеальных растворов велики, то кривая общего давления пара проходит через максимум или минимум.

Положительные и отрицательные отклонения реальных растворов от закона Рауля обусловлены разными факторами. Если разнородные молекулы в растворе взаимно притягиваются с меньшей силой, чем однородные, то это облегчит переход молекул из жидкой фазы в газовую фазу (по сравнению с чистыми жидкостями) и будут наблюдаться положительные отклонения от закона Рауля. Усиление взаимного притяжения разнородных молекул в растворе (сольватация, образование водородной связи, образование химического соединения) затрудняет переход молекул в газовую фазу, поэтому будут наблюдаться отрицательные отклонения от закона Рауля.

Следует иметь в виду, что факторы, вызывающие положительные и отрицательные отклонения, могут действовать в растворе одновременно, поэтому наблюдаемые отклонения часто являются результатом наложения противоположных по знаку отклонений. Одновременное действие противоположных факторов особенно наглядно проявляется в растворах, в которых знак отклонений от закона Рауля – Генри изменяется с изменением концентрации.

§ 4. Диаграммы равновесия жидкость – пар в бинарных системах. Первый закон Коновалова. Фракционная перегонка

На рис.5,6,7 общее давление пара бинарного раствора было представлено как функция состава раствора. В качестве аргумента можно также использовать состав пара, определяемый кривыми парциальных давлений и отличающийся от состава жидкого раствора. Таким путем можно получить вторую кривую того же свойства системы – общего давления насыщенного пара раствора в зависимости от другого аргумента – состава пара.

На рис.8 изображена схематическая диаграмма – изотерма равновесия бинарный раствор – пар. Любая точка на плоскости диаграммы характеризует валовый состав системы (координата х ) и давление (координата P ) и называется фигуративной точкой. Верхняя кривая отображает зависимость давления насыщенного пара от состава жидкости, а нижняя кривая – зависимость давления насыщенного пара от состава пара. Этими кривыми плоскость диаграммы разделяется на три поля. Верхнее поле охватывает значения х и P , при которых существует только одна жидкая фаза – раствор переменного состава. Нижнее поле отвечает газовой смеси переменного состава. Любая фигуративная точка в верхнем и нижнем полях изображает состояние одной реально существующей фазы. Поле, заключенное между двумя кривыми, соответствует двухфазной системе. Система, давление и состав которой отображает фигуративная точка, находящаяся в этом поле, состоит из двух фаз – раствора и насыщенного пара. Состав этих фаз определяется координатами точек, лежащих на пересечении изобары, проходящей через фигуративную точку системы, с верхней и нижней кривыми. Например, система, характеризуемая фигуративной точкой k , состоит из двух равновесных фаз, состав которых определяется точками а и b . Точка а, лежащая на нижней кривой, характеризует состав насыщенного пара, а точка b , лежащая на верхней кривой,– состав раствора. Нижняя кривая называется ветвью пара, верхняя кривая – ветвью жидкости.

Рис.8. Диаграмма состав – давление бинарной системы.

При изотермическом сжатии ненасыщенного пара состава х 1 фигуративная точка системы движется вверх по вертикали, конденсация пара начинается в точке а (рис.8) при известном значении давления P . Первые капли жидкости имеют состав х 2 ; образовавшаяся жидкость содержит меньше компонента А, чем конденсирующийся пар.

При изотермическом уменьшении давления жидкость состава х 3 начнет испаряться в точке d , давая пар состава x 4 (точка е); образовавшийся пар содержит больше компонента А, чем испаряющаяся жидкость. Следовательно, в паре всегда преобладает по сравнению с равновесной с ним жидкостью компонент А, прибавление которого к системе, как это видно из диаграммы, увеличивает полное давление пара.

На основании сказанного легко можно сделать следующее заключение: насыщенный пар по сравнению с равновесным раствором относительно богаче тем компонентом, добавление которого к системе повышает полное давление пара. Это – первый закон Коновалова (1881), являющийся справедливым для всех устойчивых растворов.

Рассмотрим явления испарения и конденсации растворов также с помощью изобарной диаграммы температура кипения – состав раствора.

Диаграммы t кип. – х можно построить по экспериментальным данным, или имея ряд изотермических диаграмм P – х. На каждой диаграмме P – х, построенной при определенной температуре, находят составы сосуществующих раствора и пара при заданном давлении. По полученным из всех изотерм P – х данным для определенного давления строят одну изобарную диаграмму t кип. – х.

Диаграмма t кип. – х показана схематически на рис.9. Так как компонент А с более высоким давлением насыщенного пара (рис.8) имеет при данном давлении более низкую температуру кипения (), то диаграмма t кип. – х имеет зеркально-подобный вид по отношению к диаграмме P – х (имеется только качественное подобие).

Верхнее поле на диаграмме t кип. – х отвечает пару, а нижнее – жидкости. Верхняя кривая – ветвь пара, а нижняя кривая – ветвь жидкости.

Рис.9. Диаграмма температура кипения – состав бинарной системы.

В ректификационных колоннах последовательные перегонки объединены в один автоматизированный процесс, приводящий к разделению компонентов жидкого раствора (ректификация). Промышленное разделение нефти на фракции (первичная переработка нефти) основано на указанном процессе.

В заключение приведем еще одну формулировку первого закона Коновалова:

В насыщенном паре, находящемся в равновесии с жидким бинарным раствором, выше относительное содержание того компонента, который при T = const имеет более высокое значение давления насыщенных паров по сравнению с другим компонентом или при P = const имеет по сравнению с ним более низкую температуру кипения, иначе говоря, пар по сравнению с жидкостью относительно богаче более летучим компонентом.

Существует несколько классификаций растворов. С точки зрения термодинамики целесообразно различать растворы идеальные и неидеальные или реальные . В идеальных растворах внутренняя энергия каждого компонента не зависит от концентрации, и молярный объем не изменяется при растворении. Компоненты при этом смешиваются как идеальные газы, и увеличение энтропии можно рассчитать по уравнениям, характерным для идеальных газов. Здесь сил взаимодействия между частицами нет, и вещества смешиваются без выделения или поглощения теплоты.

При исследовании растворов широко пользуются методом моделей. Простейшей моделью является идеальный раствор. Идеальные растворы делят обычно на две группы: разбавленные (более точно бесконечно разбавленные) и совершенные.

Образование идеального раствора не сопровождается изменением объема, тепловым эффектом, химическим взаимодействием. Такие растворы образуются в результате простого физического смешения

(ΔН см = 0; ΔV см = 0). Такие растворы получаются смешиванием неполярных жидкостей, характеризующихся близкими по силе молекулярными полями. В таких смесях отсутствуют явления сольватации, а отсюда нет и теплового эффекта растворения, нет и концентрации системы. Объем раствора равен сумме объемов смешиваемых компонентов. Это и есть идеальные или совершенные растворы.

Роль их в теории растворов аналогична роли идеальных газов (потому их и называют идеальными растворами).

Идеальные растворы довольно распространены. Пример: смешивание изомеров углеводорода (октаны и др.). Бензин, керосин, смесь бензола и толуола –идеальные растворы, представляют собой смесь различных углеводородов (жидких). Идеальные растворы имеют характер простых молекулярных смесей. К ним подходит «физическая» теория растворов. Физическая теория растворов предложена Вант-Гоффом и Аррениусом в 19 в. Согласно этой теории растворитель рассматривается как среда, в которой при растворении вещества его молекулы равномерно размещаются по всему объему раствора, межмолекулярные взаимодействия отсутствуют.

Законы Рауля . Важнейшей характеристикой вещества, находящегося в жидком состоянии или твердом является давление насыщенного пара, это давление – константа вещества, определяющая равновесие жидкость ó пар, твердое веществоó пар. Само равновесие достигается, когда процессы испарения компенсируется процессами конденсации. При нагревании давление пара возрастает.

Для разбавленных растворов относительное понижение давления пара растворителя (А) численно равно мольной доле растворенного вещества (В) (первый закон Рауля).

Где Р А 0 - давление пара чистого растворителя; Р А – давление пара растворителя над раствором; Х А – мольная доля растворителя; Х В – мольная доля растворенного вещества.

Таким образом, для разбавленных растворов давление пара растворителя пропорционально его мольной доле в растворе.

Из закона Рауля возникает два следствия . Согласно одному из них температура кипения раствора выше температуры кипения растворителя. Это обусловлено тем, что давление насыщенного пара растворителя над раствором становится равным атмосферному давлению (условие кипения жидкости) при более высокой температуре, чем в случае чистого растворителя. Повышение температуры кипения ΔТ кип пропорционально моляльности раствора: с m . ΔТ кип = К э с m где К э – эбулиоскопическая постоянная растворителя

Согласно второму следствию из закона Рауля температура замерзания (кристаллизации) раствора ниже температуры замерзания (кристаллизации) чистого растворителя . Это обусловлено более низким давлением пара растворителя над раствором, чем над растворителем. Понижение температуры замерзания (кристаллизации) ΔТ зам пропорционально моляльности раствора: ΔТ зам = К к с m где К к - криоскопическая постоянная раствора.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение зависимости между различными величинами, характеризующими состояние системы. Для однокомпонентных систем обычно используют диаграммы состояния, показывающие зависимость между давлением и температурой. Они называютсяфазовыми диаграммами состояния . Диаграмма показывает те состояния воды, которые термодинамически устойчивы при определенных значениях температуры и давления. Она состоит из трех кривых, разграничивающих все возможные температуры и давления на три области, отвечающие льду, жидкости и пару. Все три кривые пересекаются одной точке О. координаты этой точки – это единственная пара значений температуры и давления, при которых в равновесии могут находиться все три фазы: лед, жидкая вода и пар. Она носит название тройной точки.

Кривая плавления исследована до весьма высоких температур. Кривая кипения оканчивается в критической точке. При температуре, отвечающей этой точке, - критической температуре – величины, характеризующие физические свойства жидкости и пара, становятся одинаковыми, так, что различие между жидким и парообразным сосоянием исчезает. Одной из особенностей воды, отличающих ее от других веществ, является понижение температуры плавления льда с ростом давления. Это обстоятельство отражается на диаграмме. Кривая плавления на диаграмме идет вверх влево, тогда как почти для всех других веществ она идет вверх вправо. Температура замерзания раствора ниже температуры замерзания воды, а температура кипения раствора выше температуры кипения воды.

Самопроизвольный переход растворителя через полупроницаемую мембрану, разделяющую раствор и растворитель или два раствора с различной концентрацией растворенного вещества, называется осмосом.

Осмос обусловлен диффузией молекул растворителя через полупроницаемую перегородку, которая пропускает только молекулы растворителя. Молекулы растворителя диффундируют из растворителя в раствор или из менее концентрированного раствора в более концентрированный, поэтому концентрированный раствор разбавляется (химический потенциал растворителя в растворе меньше химического потенциала чистого растворителя), при этом увеличивается и высота его столба. Количественно осмос характеризуется осмотическим давлением, равным силе, приходящейся на единицу площади поверхности, и заставляющей молекулы растворителя проникать через полупроницаемую перегородку. Оно равно давлению столба раствора в осмометре высотой h. При равновесии внешнее давление уравновешивает осмотическое давление. В этом случае скорости прямого и обратного переходов молекул через полупроницаемую перегородку становится одинаковыми. Если внешнее давление, приложенное к более концентрированному раствору, выше осмотического p, т.е. р>p, то скорость перехода молекул растворителя из концентрированного раствора будет больше, и растворитель будет переходить в разбавленный раствор (или чистый растворитель). Этот процесс, называемый обратным осмосом , используется для природных и сточных вод, для получения питьевой воды из морской. Осмотическое давление возрастает с увеличением концентрации растворенного вещества и температуры. Вант-Гофф предположил, что для осмотического давления можно применить уравнение состояния идеального газа: pV = nRТ или p = (n⁄ V) RТ откуда p = с RТ, где p - осмотическое давление (кПа), с – молярная концентрация раствора. Осмотическое давление прямо пропорционально молярной концентрации растворенного вещества и температуре. Осмос играет очень важную роль в биологических процессах, обеспечивая поступление воды в клетки и другие структуры. Растворы с одинаковым осмотическим давлением называются изотоническими . Если осмотическое давление выше внутриклеточного, то оно называется гипертоническим, если ниже внутриклеточного - гипотоническим.

23.Растворы электролитов. Теория электролитической диссоциации Аррениуса: степень диссоциации, константа диссоциации. Факторы, влияющие на них. Закон разбавления Оствальда.

По способности веществ распадаться или не распадаться в расплаве или растворе на катионы и анионы различают электролиты и неэлектролиты.

Электролиты – вещества, которые подвергаются электролитической диссоциации, и вследствие чего их расплавы или растворы проводят электрический ток.

К электролитам принадлежат все соли, а также кислотные, основные и амфотерные гидроксиды.

Раствор электролита представляет собой смесь молекул растворителя и сольватированных (ионы растворенного вещества, окруженные соответственно ориентированными диполями растворителя) молекул и ионов растворенного вещества. Относительное количество молекул, распавшихся на ионы, характеризующее степень диссоциации электролита α , зависит от природы растворителя, природы и концентрации электролита, температуры, давления и наличия других электролитов в растворе.

Процесс распада полярного вещества в растворе на ионы называют электролитической диссоциацией (ионного – ионизацией). По способности к электролитической диссоциации электролиты обычно подразделяют на сильные и слабые. К сильным электролитам обычно относят вещества, которые в растворе практически полностью диссоциированы на ионы. Слабыми электролитами считают вещества, степень диссоциации, которых невелика. Понятие степень диссоциации электролита α как величины, равной отношению числа распавшихся (диссоциированных) молекул N дисс к общему числу молекул N 0 электролита, α = N дисс ⁄ N о было введено Аррениусом – создателем первой количественной теории растворов электролитов. Теория электролитической диссоциации и основанная на ней классификация кислот и оснований в полной мере применимы лишь к водным растворам .

Процесс электролитической диссоциации возникающий в результате сольватации, обратим, т.е. наряду с равпадом молекул растворенного вещества происходит их образование из ионов:

К m А n D mК Z1+ + nА Z2- где К m А n – молекула электролита; К Z1+ - катион; А Z2- - анион; Z 1 и Z 2 - заряд аниона и катиона соответственно; n и m – стехиометрические коэффициенты. Равновесие между ионами и молекулами электролита подчиняется закону действия масс. Поэтому важной характеристикой процесса диссоциации является константа диссоциации (константа ионизации) К d (С) , вычисленная по равновесным концентрациям молекул и ионов: К d (С) = [К Z1+ ] m [А Z2- ] n ⁄[К m А n ] , где [К Z1+ ], [А Z2- ] –равновесные молярные концентрации катионов и анионов соответственно; [К m А n ] - равновесная молярная концентрация недиссоциированных молекул электролита.

Константу равновесия процесса диссоциации принято обозначать К а в случае слабых кислот и К b для слабых оснований.

Пример диссоциации слабого основания (гидроксид аммония) NН 4 ОН D NН 4 + + ОН -

К b = [ОН - ] ⁄ = 1,8 ×10 -5

Многоосновные кислоты и многоосновные основания диссоциируют ступенчато.

Константа диссоциации характеризует процесс диссоциации данного электролита в данном растворителе, но не зависит от концентрации электролита и при постоянной температуре К d (С) =соnst. Очевидно, что степень диссоциации α тем больше, чем ниже концентрация, т.е. чем сильнее разбавлен раствор.

В состоянии равновесия концентрации катионов К Z+ и анионов А Z- будут равны [К Z+ ] = [А Z- ] = α С, а концентрация недиссоциированных молекул [КА] = (С – αС) = С (1- α) подставляя эти выражения в уравнение для константы диссоциации получим:

К d (С) = α 2 × С

1- α - это выражение описывает закон разбавления (разведения) Оствальда для слабых электролитов . В случае когда степень диссоциации электролита α<<1, что имеет место при С ⁄К d (С) ≥100, величиной α по сравнению с 1 можно пренебречь и закон разбавления Оствальда записать в упрощенном варианте К d (С) ≈ α 2 С.