Взаємна розчинність рідин.
Взаємна розчинність рідин дуже різна. Наприклад, спирт та вода змішуються в любих співвідношеннях, а вода та бензин практично не змішуються. Найбільш часто зустрічаються випадки обмеженої розчиності.
При нагріванні взаємна розчинність рідин змінюється по-різному: в одних випадках збільшується, в інших – зменшується.
Основні закономірності взаємної розчинності рідин встановлені В.Ф. Алексєєвим в 1876р. Їм було доказано, що при змішуванні двох обмежено розчинних рідин утворюється двохшарова система, склад кожного з цих шарів при постійній температурі залишається постійним. Зміна зовнішніх умов призводить і до зміни складу рівноважних шарів. Підвищення температури часто призводить до підвищення взаємної розчинності рідин. Та температура, вище якої рідини взаємно змішуються одна з одною в любих співвідношеннях, називається верхньою критичною температурою розчинення.
Алексєєвим було встановлено правило прямолінійного діаметра, згідно якого середнє арифметичне із складу рівноважних рідких фаз є лінійною функцією температури та місце, в якому пересікається ця пряма з кривою рівноваги відповідає критичній температурі розчинення.
В деяких системах взаємна розчинність рідин збільшується при зниженні температури, і вони можуть повністю розчинятися одна в одній. Температура, нижче якої рідини змішуються в любих відносних кількостях, називається нижньою критичною температурою розчинення.
На взаємну розчинність рідин при постійній температурі впливають сторонні домішки. Наприклад, на систему фенол-вода впливає КСl, система розшаровується. Це пояснюється тим, що КСl розчиняється тільки у воді, тому він нібито витісняє фенол з води і розчинність його у воді зменшується. Таку систему можна повернути в гомогенний стан з підвищенням температури. 4. Розчинність твердих речовин в рідинах.
Розчинність твердих речовин в воді різна. У більшості випадків вона при збільшенні температури збільшується. Однак, існують виключення. Наприклад гіпс CaSO4*2H2O при нагріванні втрачає близько 75% кристалізаційної води і його розчинність зменшується. При температурі близько 2000С полу водний гіпс майже нерозчинний у воді. Цим пояснюється його випадіння на стінках теплообмінників у вигляді накипу.
Процес розчинення твердої речовини можна прискорити її подрібненням та ретельним перемішуванням з розчинником.
Залежність розчинності твердих речовин від температури графічно виражають кривою розчинності. Якщо якісний склад речовини при зміні температури не змінюється, то крива розчинності йде плавно. Гострі кути на кривій говорять про зміну складу частинок, що містяться в розчині. Наприклад, розчинність Na2SO4*10H2O зростає до температури 32,280С, вище цієї температури соль починає втрачати воду, його розчинність падає.
Мірою розчинності речовини при даних умовах є концентрація його насиченого розчину. Розчинністю називається кількість грамів речовини, яка насичує 100г розчинника при даних умовах.
Насиченим є розчин, який знаходиться в динамічній рівновазі з надлишком речовини, тобто за одиницю часу з розчину виділяється стільки речовини, скільки переходить до розчину. Таким чином, у насиченому розчині концентрація розчиненої речовини залишається незмінною.
Поняття насичений розчин слід відрізняти від поняття концентрований розчин. Концентрованим називається розчин з високою концентрацією розчиненої речовини. Насичені розчини різко відрізняються по концентрації. У добре розчинних речовин насичені розчини мають високу концентрацію розчиненої речовини, а у малорозчинних концентрація насиченого розчину невелика.
Якщо концентрація розчину не досягає концентрації насичення при даних умовах, то розчин називається ненасиченим. Якщо концентрація розчинів більша концентрації насичення, такі розчини називаються перенасиченими. Перенасичені розчини дуже нестійкі. Надлишок речовини викристалізовується при збовтуванні або внесенні в розчин центрів кристалізації у вигляді кристалів солі або пилу.
5. Загальні властивості розчинів.
При утворенні молекул розчинів поряд з фізичними процесами розподілу молекул розчиненої речовини серед молекул розчинника протікають і хімічні процеси.
Молекули розчиненої речовини взаємодіють з розчинником, утворюючи складні комплекси, які називаються сольватами. Якщо розчинником є вода, то такі сполуки називаються гідратами. Сольвати багатьох речовин виділені із розчину у твердому стані.
Вивчені теплоти розчинення різних речовин. Кількість теплоти, яка поглинається. Або виділяється при розчиненні одного моля речовини, називається теплотою розчинення цієї речовини.
При розчиненні твердої речовини відбувається руйнування кристалічної решітки розчиненої речовини та утворення сольватів. Перший процес йде з поглинанням, а другий – з виділенням енергії. Кінцевий результат теплоти розчинення дорівнює сумі теплових ефектів цих процесів. Він може бути позитивним або негативним.
Таким чином, у розчині молекули розчинника пов’язані в комплекси з розчиненою речовиною, тому в ньому концентрація вільних молекул розчинника менше, ніж у чистому розчиннику.
Осмос. Зменшення кількості вільних молекул розчинника в розчині зумовлює явище осмосу та зменшення пружності пари розчинника над розчином по відношенню до чистого розчинника. Явище осмосу спостерігається при доторканні двох розчинів різних концентрацій, розділених напівпрониклою мембраною, що пропускає молекули розчинника, але затримує молекули розчиненої речовини. Вільні молекули розчинника попадають в більш концентрований розчин, збільшуючи свою концентрацію в ньому. Таким чином, осмос зумовлений тим, що молекули розчинника намагаються вирівняти свою концентрацію по обидва боки мембрани. Осмос кількісно характеризує осмотичний тиск. Осмотичний тиск дорівнює тому зовнішньому гідростатичному тиску, який необхідно прикласти до системи для того, щоб осмос зупинився.
Явище осмосу вивчав гол.вчений Вант-Гофф, та встановив, що осмотичний тиск у розчинах є в залежності від кількості розчинених в ньому частинок , тобто від моляльної концентрації. Розчини, які мають однакову моляльну концентрацію, повинні мати при рівних температурах однаковий осмотичний тиск. Такі розчини називають ізотонічними. Розчинена речовина веде себе у розчині подібно газоподібній. Вона намагається зайняти увесь об’єм розчинника так, як і газ.
Закон Вант-Гоффа: усі розбавлені розчини виявляють осмотичний тиск, що чисельно дорівнює тому газовому тиску, який би створювала розчинена речовина, якщо б вона знаходилися в газоподібному стані та займала б об’єм, рівний об’єму розчина..
Явище осмосу відіграє важливу роль в природі а також використовується в процесі очищення води електролізом з іонітовими діафрагмами.
Відомо, всяка рідини знаходиться в рівновазі зі своїм паром. Тобто за одиницю часу з розчину виходить така кількість частинок, яка й повертається в розчин. Над чистим розчинником ця рівновага встановлюється при більш високих значеннях пружності пари, ніж над розчином. Це явище пов’язане з тим, що в розчині молекули розчинника утримуються розчиненою речовиною. Таким чином, зменшення пружності пари над розчином по відношенню до чистого розчинника пов’язане із зменшенням в ньому молекул розчинника.
Кількісно зниження пружності пари над розчином охарактеризував фр.фізик Рауль (закон Рауля): в розбавлених розчинах електролітів при постійній температурі відносне зниження тиску насіченої пари розчинника над розчином дорівнює мольній долі розчиненої речовини в розчині: Де рА0 – тиск насиченої пари над чистим розчинником;
рА – тиск насиченої пари розчинника над розчином;
п – число молей розчиненої речовини;
N – число молей розчинника. Усі розчини киплять за більш високої температури, а замерзають за більш низької, ніж чистий розчинник. Це пов’язано з зниженням пружності пари над розчином в порівнянні з пружністю пари над чистим розчинником. Кипіння рідини відбувається тоді, коли пружність її парів, що насичують простір, буде дорівнювати зовнішньому тиску. Замерзання рідин відбувається, коли пружність пари над твердою речовиною та над рідиною буде однакова.
Таким чином, загальні властивості розчинів проявляються в явищі осмосу , в зниженні температури замерзання та підвищенні температури кипіння розчинів. Всі ці властивості розчинів підпорядковуються закону Рауля-Вант-Гоффа: властивості розбавлених розчинів неелектролітів прямо пропорційні числу розчинених частинок, тобто моляльній або молярній концентрації розчиненої речовини.
|