Файл: Болдырев, А. И. Физическая и коллоидная химия учеб. пособие.pdf

взаимодействие, приводящее к образованию нестойких соединении частиц растворенного вещества с молекулами растворителя. Так, в ра­ створах серной кислоты Менделеев установил наличие гидратов сле­ дующего состава: H2S04 » Н20, H2S04 • 2Н20, H2S04 • 4Н20 и др.

Он установил также, что соединение молекул или ионов растворяемо­ го вещества с молекулами растворителя осуществляется главным обра­ зом за счет водородной связи или же вследствие электростатического взаимодействия полярных молекул веществ.

Уместно напомнить, что водородная связь — это как бы вторая (побочная) валентность водородного атома, которую он может прояв­ лять по отношению к сильно отрицательным атомам, если основная ва­ лентность связывает его с атомом, тоже сильно отрицательным в данной молекуле — фтором, кислородом, азотом. Она образуется вследствие притяжения между ковалентно связанным атомом водорода (протон) и свободными электронами электроотрицательного атома другой моле­ кулы. Этот вид связи свойствен любым агрегатным состояниям вещества.

Необходимо отметить, что Менделеев не отрицал значения физиче­ ских факторов в процессах растворения; он предсказывал создание общей теории растворов, основанной на учете как физической, так и хи­ мической стороны процесса растворения. И действительно, современная теория растворов основана на синтезе «химической» и «физической» точек зрения.

Однако проблема растс-оров полностью еще не разрешена. Теория растворов еще не позволяет в любом случае предопределять свойства растворов по свойствам их компонентов. Объясняется это чрезвы­ чайно большим многообразием и сложностью взаимодействий между молекулами растворителя и частицами растворенного вещества. Струк­ тура растворов, как правило, бывает значительно сложнее строения его отдельно взятых компонентов.

Наиболее изучены разбавленные растворы. В них частицы раство­ ренного вещества настолько отделены друг от друга молекулами раст­ ворителя, что взаимодействие между ними выражено очень слабо и природа растворенного вещества практически не оказывает влияния на свойства разбавленного раствора. Аналогично свойствам газа свой­ ства разбавленных растворов не зависят от состава частиц растворен­ ного вещества и их размеров, а только от числа частиц в единице объема, т. е. от концентрации.

Как уже говорилось, состав раствора — концентрация является его важнейшей характеристикой.

Концентрация раствора указывает количество вещества, которое содержится в определенном весовом количестве раствора или раство­ рителя или в определенном объеме раствора. В химии применяются разнообразные способы выражения концентрации растворов; это обус­ ловлено тем, что для разных целей и областей исследования оказывают­ ся удобными и рациональными разные способы выражения концент­ рации. В практической работе важно уметь быстро переходить от одних единиц концентраций к другим.

В технике часто пользуются весовыми процентами. Концентрация, выраженная в весовых процентах (С%), указывает количество весовых

—102

единиц растворенного вещества, содержащихся в 100 весовых едини­ цах раствора, т. е.

с% = — • 100, (III, 1)

где т — вес растворенного вещества, г, тх — вес раствора, г. Например, если концентрация раствора NaCl равна 12%, то это

значит, что 12 весовых единиц NaCl содержится в 100 весовых едини­ цах раствора.

В лабораторной практике в большинстве случаев количество раст­ вора измеряют не в весовых, а в объемных единицах—в миллилитрах. Для перехода от веса раствора к его объему пользуются зависимостью:

где V — объем раствора, мл, тх — вес раствора, d — плотность раст­ вора. В этом случае процентную концентрацию раствора можно вы­ числить по формуле:

где С% — процентная концентрация, т — вес растворенного ве­ щества, г, V — объем раствора, мл, d — плотность раствора.

Для выявления соотношения компонентов в растворе в химии поль­ зуются выражением концентрации в мольных долях или в мольных процентах. Мольной долей называется отношение числа молей данного компонента к сумме молей всех компонентов раствора. Так, если смесь состоит из Пу, пг, п 3 ... молей разных компонентов, то выражение для суммы молей будет иметь вид:

сумма всех мольных долей всех компонентов раствора равна 1. Умно­ жив мольную долю данного компонента на 100, получаем мольный процент.

В аналитической химии наибольшее применение нашли способы выражения концентраций числом молей вещества, содержащихся в лит­ ре раствора (молярная концентрация, или молярность) и числом грамм-

эквивалентов вещества в литре раствора (нормальная концентрация, или нормальность).

Напомним, что грамм-молекулой, или молем, называется такое ко­ личество вещества, вес которого, выраженный в граммах, численно равен молекулярному весу этого вещества. Например, грамм-молекула

H2S04 весит 98 г.

Молярная концентрация раствора (молярность) может быть вычис­ лена по формуле:

вора, мл.

Если концентрацию выражают числом молей, содержащихся в 1000 г растворителя, то такие растворы называют моляльными. На­ пример, если говорят: двухмоляльный раствор серной кислоты в воде, то это означает, что два моля серной кислоты растворены в 1000 г воды.

Различие между моляльностью и молярностью разбавленного раст­ вора незначительно. Как известно, молярность раствора изменяется с изменением температуры раствора вследствие расширения или сжатия воды, а моляльность от температуры не зависит. Поэтому, моляльные концентрации применяют в случаях, когда имеют место значительные колебания температуры раствора (например, измерение температур кипения и замерзания растворов в зависимости от их концентрации).

Нормальным называется такой раствор, в литре которого содер­ жится один грамм-эквивалент растворенного вещества*.

Концентрацию вещества, выраженную в единицах нормальности, можно вычислить по формуле:

где Сн — нормальность раствора, т — вес растворенного вещества, г, Э — эквивалентный вес растворенного вещества, V — объем раство­ ра, мл.

Ваналитической химии особенно удобно выражать концентрации

вграмм-эквивалентах, так как все вещества реагируют друг с другом

ввесовых количествах, пропорциональных их эквивалентам.

Впрактике применяют и другие способы выражения состава раст­ вора, которые здесь не рассматриваются и выбор которых также опре­ деляется соображениями удобства при решении определенных задач.

Влюбом случае, если известны молекулярные веса растворенного ве­ щества и растворителя, а также плотность раствора, то всегда можно перейти от одних единиц измерения концентраций к другим.

§ 31. Сущность процесса растворения

Процесс растворения является сложным физико-химическим процессом, в котором наиболее ярко проявляется взаимодействие меж­ ду частицами (молекулами или ионами) различной химической при­ роды.

На процессы растворения многих веществ, находящихся в различ­ ных агрегатных состояниях, большое влияние оказывает полярность молекул растворителя и растворенного вещества. Она выражается

втом, что в силу неравномерного распределения электрических заря­

*Напомним, что грамм-эквивалентом называется число граммов вещества, равное его эквиваленту. Эквивалентный вес — это весовое количество вещества, равноценное в реакционном отношении восьми весовым частям кислорода, или 1,008 весовым частям водорода.

104 —

дов в одной части молекулы могут преобладать положительные заряды, а в другой отрицательные. Полярность отражается на многих свойст­ вах молекул.

Полярность молекулы можно характеризовать количественно, вве­ дя представление о так называемом диполе, под которым следует по­ нимать систему, состоящую из двух электрических зарядов е+ и с~, равных по величине и противоположных по знаку, расположенных на некотором расстоянии / друг от друга. Произведение величины этих зарядов е на расстояние между ними называется дипольным моментом и обозначается через р.:

(Ш,6)

Величина дипольного момента молекул выражается обычно в элек­ тростатических единицах, умноженных на сантиметр. Так как заряд одного электрона равен 4,8 • 10~10 эл.-ст. ед, а расстояния между ядрами соседних атомов в молекуле порядка 10-18 см, то дипольный момент молекул в этих единицах выражается величинами порядка 10-18. Иногда величину 1 • 10-10 эл.-ст. ед. • см называют единицей Дебая и обозначают буквой D. В системе СИ дипольный момент выра­ жается в к'М (заряд электрона равен 1,6 • 10-38 к, линейные размеры молекул порядка 10-10 м ).

Следует отличать полярность молекулы в целом от полярности со­ держащихся в ней связей. Для двухатомных молекул эти два понятия совпадают. Полярность многоатомных молекул зависит от полярностей отдельных связей и от относительного их расположения в молекуле. У молекул, построенных вполне симметрично, дипольный момент ра­ вен нулю, хотя бы отдельные связи в них и были полярными, так как в данном случае происходит полная взаимная компенсация дипольных моментов отдельных связей.

У соединений с несимметричным строением молекулы-полной ком­ пенсации моментов отдельных связей не происходит. Так, в молекуле

= 0,0384 нм . Вследствие этого молекула Н2Ов целом обладает значи­

— 105 —