ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ РАСТВОРЕНИЯ

Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая

Раствором называют гомогенную систему, состоящую из двух или большего числа компонентов. При переходе вещества в раствор происходит разрыв межмолекулярных и ионных связей кристаллической решетки твердого вещества и переход его в раствор в виде отдельных молекул или ионов, которые равномерно распределяются среди молекул растворителя.

Для разрушения кристаллической решетки вещества необходимо затратить большую энергию. Эта энергия освобождается в результате гидратации (сольватации) ионов и молекул, т. е. химического взаимодействия растворяемого вещества с водой (или вообще с растворителем).

Значит, растворимость вещества зависит от разности величин энергии гидратации (сольватации) и энергии кристаллической решетки вещества.

Энергия растворения ∆Н_раст - энергия, поглощающаяся (или выделяющаяся) при растворении 1 моль вещества в таком объеме растворителя, дальнейшее прибавление которого не вызывает изменения теплового эффекта.

Общий тепловой эффект растворения зависит от тепловых эффектов:

· а) разрушения кристаллической решетки (процесс всегда идет с затратой энергии ∆Н₁>0);

· б) диффузии растворенного вещества в растворителе (затрата энергии ∆Н₂>0);

· в) сольватации (гидратации) (выделение теплоты, ∆Н₃<0, так как между растворителем и растворенным веществом образуются непрочные химические связи, что всегда сопровождается выделением энергии).

Общий тепловой эффект растворения ∆Н_p будет равен сумме названных тепловых эффектов

Энергия растворения определяется по формуле 1.1:

∆Н_pac_т =∆Н_к_p_{. р.} + ∆Н_c, (1.1)

где ∆Н_раст - энергия растворения вещества, кДж/моль;

∆Н_c - энергия взаимодействия растворителя с растворяемым

веществом (энергия сольватации), кДж/моль;

∆Н_к_p_.р. - энергия разрушения кристаллической решетки,

кДж/моль.

Если энергия разрушения кристаллической решетки больше энергии сольватации, то процесс растворения будет эндотермическим процессом, поскольку энергия, затраченная на разрушение кристаллической структуры, не будет скомпенсирована энергией, выделяющейся при сольватации.

Если энергия разрушения кристаллической решетки меньше энергии сольватации, то процесс растворения будет экзотермическим процессом, поскольку энергия затраченная на разрушение кристаллической структуры полностью скомпенсирована энергией, выделяющейся при сольватации. Следовательно, в зависимости от соотношения между энергией разрушения кристаллической решетки растворенного вещества и энергией взаимодействия растворенного вещества с растворителем (сольватация) энергия растворения может быть как положительной, так и отрицательной величиной.

Так, при растворении в воде хлорида натрия температура практически не изменяется, при растворении нитрата калия или аммония температура резко снижается, а при растворении гидроксида калия или серной кислоты температура раствора резко повышается.

Растворение твердых веществ в воде чаще бывает процессом эндотермическим, так как во многих случаях при гидратации выделяется теплоты меньше, чем тратится на разрушение кристаллической решетки.

Энергию кристаллической решетки можно рассчитать теоретически. Однако для теоретического расчета энергии сольватации до сих пор нет надежных методов.

Существуют некоторые закономерности, которые связывают растворимость веществ с их составом.

Для солей одного и того же аниона с разными катионами (или наоборот) растворимость будет наименьшей в том случае, когда соль образована ионами одинакового заряда и примерно одинакового размера, т.к. в этом случае энергия ионной кристаллической решетки максимальна.

Например, растворимость сульфатов элементов второй группы периодической системы уменьшается по подгруппе сверху вниз (от магния к барию). Это объясняется тем, что ионы бария и сульфата по размерам больше всего подходят друг к другу. В то время как катионы кальция и магния намного меньше анионов SO₄^2-.

Растворимость гидроксидов этих элементов, наоборот, увеличивается от магнию к бария, потому что радиусы катионов магния и анионов гидроксида практически одинаковые, а катионы бария по размеру очень отличаются от небольших анионов гидроксила.

Однако бывают исключения, например, для оксалатов и карбонатов кальция, стронция, бария и др.

Энергию растворения можно рассчитать:

1) используя изменение температуры при растворении.

Количество энергии, выделяющейся при нагревании или охлаждении тела рассчитывается по уравнению (1.2):

, (1.2)

где ∆Н_раств. – энергия растворения вещества, кДж/моль;

с_А - удельная теплоемкость вещества А, Дж/(г∙К);

m₁ - масса вещества А, г;

∆Т – изменение температуры, град.

ПРИМЕР 1.1 При растворении 8г хлорида аммония в 291г воды температура понизилась на 2⁰. Вычислите теплоту растворения NH₄C1 в воде, принимая удельную теплоемкость полученного раствора равной теплоемкости воды 4,1870 Дж/(г _* К).

Решение:

Используя уравнение (1.2), рассчитаем энергию, поглощаемую 291 г воды при растворении 8г NH₄C1, т.к. при этом температура уменьшается на 2⁰С, то: ∆Н_раств.= -(4,187∙291∙(-2)) = 2436,8 Дж.

Для определения энтальпии растворения NH₄C1 составляем пропорцию, М (NH₄C1)=53,49 г/моль:

8г NH₄Cl — 2436,8 Дж

53,49г NH₄C1 — х Дж

х = 1629,3Дж = 16,3кДж. Следовательно, растворение NH₄C1 сопровождается поглощением тепла.

2) используя следствие из закона Гесса: тепловой эффект химической реакции (ΔН⁰_х.р.) равен сумме теплот (энтальпий) образования продуктов реакции (ΔH⁰_o_6р.._npo_д.) минус сумма теплот (энтальпий) образования исходных веществ (ΔН⁰_обр._исх.) с учётом коэффициентов перед формулами этих веществ в уравнении реакции.

ΔН⁰_х.р.= ΣΔН⁰ _{обр.прод} - Σ ΔН⁰_{обр.исх} , (1.3)

ПРИМЕР 1.2 Рассчитайте тепловой эффект реакции растворения алюминия в разбавленной соляной кислоте, если стандартные теплоты образования реагирующих веществ равны (кДж/моль): ∆Н⁰_(НС1) _{_aq_} = - 167,5; ∆Н⁰_А1С1₃_{а_q_}= -672,3.

Решение: Реакция растворения А1 в соляной кислоте протекает по уравнению 2А1+6НС1₍_aq₎=2AlCl₃₍_aq₎+3H₂. Поскольку алюминий и водород являются простыми веществами, то для них ΔН⁰=0 кДж/моль, то тепловой эффект реакции растворения равен:

∆Н⁰₂₉₈=2∙∆Н⁰_А1С1₃_{а_q_}-6∙∆Н⁰_НС1_{_aq_}

∆Н⁰₂₉₈=2∙(-672,3)-6∙(-167,56)=-339,2кДж.

Используя следствие из закона Гесса можно определить возможность протекания реакции растворения. В этом случае необходимо рассчитать энергию Гиббса.

ПРИМЕР 1.3 Будет ли растворяться сульфид меди в разбавленной серной кислоте, если энергия Гиббса реагирующих веществ равна (кДж/моль): ∆G⁰(CuS_(к))= -48,95; ∆G⁰(H₂SО₄₍_aq₎)=-742,5; ∆G⁰(CuSО₄₍_aq₎)= -677,5, ∆G⁰(Н₂S_(г)) = -33,02.

Решение. Для ответа необходимо подсчитать ∆G⁰₂₉₈ реакции растворения. Возможная реакция растворения CuS в разбавленной H₂SO₄ протекает по уравнению:

CuS (к) + H₂SО₄ (aq) = CuSО₄ (aq) + H₂S (г)

∆G⁰₂₉₈ =∆G⁰(CuSО_4(aq)) + ∆G⁰(Н₂S₍_г₎) -∆G⁰(CuS_(K)) -∆G⁰(H₂SО_4(aq))

∆G⁰₂₉₈ = -677,5-33,02 + 742,5 + 48,95 =80,93 кДж/моль.

Так как ∆G>0, реакция невозможна, т. е. CuS не будет растворяться в разбавленной H₂SO₄.

Зная энергию растворения можно рассчитать энергию присоединения кристаллизационной воды (энергию гидратации).

Теплота гидратации ∆Н⁰_{гидрат.} - теплота, выделяемая при взаимодействии 1 моль растворяемого вещества с растворителем - водой.

ПРИМЕР 1.4. При растворении 52,06г ВаС1₂ в 400 моль Н₂О выделяется 2,16 кДж теплоты, а при растворении 1 моль ВаС1₂∙2Н₂О в 400 моль Н₂О поглощается 18,49 кДж теплоты. Вычислите теплоту гидратации безводного ВаС1₂,

Решение. Процесс растворения безводного ВаС1₂ можно представить следующим образом:

а) гидратация безводной соли ВаС1₂

ВаС1₂+2Н₂О = ВаС1₂∙2Н₂О; ∆Н_гидр.<0

б) растворение образовавшегося гидрата

BaCl₂∙2H₂О+aq* → ВаС1₂∙2Н₂О (aq); ∆Н_раст.>0

Количество теплоты ∆Н⁰, выделяющееся при растворении безводного ВаС1₂, равно алгебраической сумме тепловых эффектов этих двух процессов:

∆Н⁰ == ∆Н⁰_гидр+∆Н⁰_раств; ∆Н⁰_гидр = ∆Н⁰ - ∆Н⁰_раств

Для вычисления теплоты гидратации безводного хлорида бария надо определить теплоту растворения ВаС1₂ для тех же условий, что и для ВаС1₂∙2Н₂О, т. е. для 1 моль ВаС1₂ (раствор в обоих случаях должен иметь одинаковую концентрацию); M(BaCl₂)=208,25 г/моль

52,06г ВаС1₂ - 2,16кДж

208,25г ВаС1₂ - х кДж

х=8,64 кДж/моль. Следовательно, ∆Н_раств=-8,64 кДж/моль.

Тогда ∆Н_гидр=18,49+8,64 =27,13 кДж/моль.

РАСТВОРИМОСТЬ

Самый распространенный жидкий растворитель – вода. Она обладает наиболее растворяющей и диссоциирующей способностью. Для воды температура растворения ограничивается интервалом 0–100⁰С.

Большинство растворяющихся в воде веществ являются твердыми.

Процесс растворения вещества сопровождается диффузией, т.е. перемещением молекул из областей более концентрированного раствора в области с меньшей его концентрацией. Другими словами, вещество при растворении равномерно распределяется по всей массе растворителя.

Процесс растворения происходит до тех пор, пока концентрация данного вещества в растворе не доходит до определенного значения, при котором наступает состояние равновесия:

MR ↔ MR

^{твердая фаза раствор}

Способность твердого вещества переходить в раствор не беспредельна. При введении в стакан с водой (Т= const) первые порции вещества полностью растворяются, и образуется ненасыщенный раствор. В этом растворе возможно растворение следующих порций до тех пор, пока вещество не перестанет переходить в раствор и часть его останется в виде осадка на дне стакана.

Растворение является двунаправленным процессом: твердое вещество переходит в раствор, а растворенное вещество в свою очередь переходит в твердую фазу. Если количество вещества, переходящего в раствор за единицу времени, равно количеству вещества, выделяющегося за то же время в твердую фазу, то это значит, что произошло насыщение раствора. Образующийся при этом раствор называется насыщенным раствором. Увеличение концентрации раствора замедляет установление равновесия.

Между веществом в насыщенном растворе и веществом в осадке устанавливается состояние гетерогенного равновесия. Частицы растворенного вещества переходят через поверхность раздела их жидкой фазы (раствора) в твердую фазу (осадок) и обратно, поэтому состав насыщенного раствора остается постоянным при некоторой фиксированной температуре. Насыщенные растворы являются стабильными системами, т. е. они могут существовать при данной температуре без изменения концентрации сколь угодно долго.

С изменением температуры изменяется и концентрация насыщенного раствора. При понижении температуры раствор может в определенных условиях некоторое время сохранять данную концентрацию вещества, т. е. концентрация раствора может оказаться выше, чем в насыщенном растворе при данной температуре. Такие растворы называют пересыщенными. Пересыщенные растворы являются нестабильными системами. Достаточно перемешать такой раствор или бросить самый маленький кристаллик растворенного вещества (затравку), чтобы начала выделяться твердая фаза. Этот процесс продолжается до тех пор, пока концентрация вещества не достигнет концентрации насыщенного раствора при данной температуре. Возможность существования пересыщенного раствора объясняется трудностью возникновения центров кристаллизации.

В растворах электролитов непрерывно происходят процессы ионизации и ассоциации. При этом поддерживается равновесие, сохраняется постоянным состав раствора, но процесс электролитической диссоциации не прекращается. Если же в раствор ввести некоторое другое вещество, то его ионы могут вступить в реакцию с первым веществом и образовать новое вещество, которое не вводилось в раствор. Например, в отдельно приготовленных растворах хлорида бария и сульфата натрия устанавливается равновесие:

в первом растворе: ВаС1₂ ↔ Ва²⁺ + 2С1^-,

во втором растворе: Na₂SО₄ ↔ 2Na⁺ + SO₄^2-.

Оба эти соединения представляют собой соли и относятся к сильным электролитам, т. е. в разбавленных растворах эти вещества находятся преимущественно в виде ионов. Если слить эти два раствора, то ионы SО₄^2- встретятся не только с ионами натрия, но и с ионами бария и вступят с ними в реакцию:

SO₄^2- + Ba²⁺ ↔ BaSО₄.

Эта реакция происходит, так как сульфат бария является малорастворимым соединением и выпадает в осадок. В растворе останутся катионы натрия и анионы хлора,- но осадка не образуется, потому что хлорид натрия хорошо растворим в воде.

Процесс осаждения происходит постепенно. Сначала образуются очень мелкие кристаллы - зародыши, которые постепенно вырастают в кристаллы большого размера или группу кристаллов. Время с момента смешивания растворов до образования зародышей — мелких кристаллов называют индукционным периодом. Продолжительность этого периода зависит от индивидуальных свойств осадка. Так, в случае образования хлорида серебра это время очень мало, в случае образования сульфата бария этот период значительно больше.

Осаждение в химическом анализе следует проводить так, чтобы образовывалось по возможности меньшее количество мелких кристаллов (зародышей), тогда при постепенном прибавлении осадителя будут нарастать имеющиеся центры кристаллизации, т. е. будут расти крупные кристаллы.

Растворимость вещества – качественная и количественная способность вещества образовывать раствор при смешивании с другим веществом (растворителем).

Растворимость веществ определяется концентрацией насыщенного при данной температуре раствора.

Состав насыщенного раствора может быть выражен любым известным способом (массовая доля, молярная концентрация и др.). Чаще других величин применяют коэффициент растворимости k_s - отношение массы безводного растворенного вещества к массе растворителя, например, при 20⁰С коэффициент растворимости равен 0,316 для KNО₃, что соответствует 24,012%-ному или 2,759М раствору.

Растворимость часто выражают количеством граммов растворяемого вещества в 100г растворителя.

ПРИМЕР 2.1 Вычислите коэффициент растворимости ВаС1₂ в воде при 0⁰С, если при этой температуре в 13,1г раствора содержится 3,1г ВаС1₂.

Решение. Коэффициент растворимости выражают массой вещества (г), которое можно растворить в 100г растворителя при данной температуре. Масса раствора ВаС1₂ 13,1г. Следовательно, в 10г растворителя при 0⁰С содержится 3,1г ВаС1₂. Коэффициент растворимости ВаС1₂ при 0⁰С равен:

В случае растворения твердых или жидких веществ в жидкостях растворимость возрастает с повышением температуры, а для газов – убывает. На растворимость газов большое влияние оказывает давление.

По растворимости при Т = const различают:

1) хорошо растворимые вещества (образуют >0,1М насыщенные растворы),

2) малорастворимые вещества (образуют 0,1 - 0,001М насыщенные растворы),

3) практически нерастворимые вещества (образуют <0,001М насыщенные растворы).

Например, MgCl₂ - хорошо растворимое в воде вещество (при 20⁰С образует 5,75М насыщенный раствор), MgCО₃ - малорастворимое вещество (образует 0,02М раствор) и Mg(OH)₂ - практически нерастворимое вещество (образует 1,2∙10^-4М раствор).

Растворимость вещества зависит от его природы и агрегатного состояния до растворения, а также от природы растворителя и температуры приготовления раствора, а для газов также и от давления.

Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая