§ 22. Растворы. Массовая доля растворённого вещества

Компонент раствора, агрегатное состояние которого не изменяется при образовании раствора, либо компонент, масса и объём которого существенно преобладают в системе.

• В водных растворах универсальным растворителем служит вода ($H_2O$); в неводных растворах применяются этиловый спирт, бензол, эфир, ацетон

Компонент раствора, который равномерно распределяется в объёме растворителя в виде отдельных молекул или ионов и обычно меняет своё агрегатное состояние при растворении.

• В роли растворённого вещества могут выступать газы ($NH_3, HCl$), жидкости ($H_2SO_4$, уксусная кислота), твёрдые тела ($NaCl, CuSO_4, I_2$)

Гомогенные (однородные) физико-химические системы переменного состава, состоящие из растворителя, частиц растворённого вещества и продуктов их взаимодействия (гидратов или сольватов).

• Физическая теория растворов (Вант-Гофф, Аррениус): рассматривает растворение как механическую диффузию молекул растворённого вещества между молекулами растворителя
• Химическая (гидратная) теория Д. И. Менделеева: доказывает, что между частицами вещества и растворителя протекает химическое взаимодействие с образованием нестойких соединений (гидратов)
• Тепловые явления при растворении: разрушение кристаллической решётки вещества требует затрат энергии (эндотермический процесс, поглощение тепла, например, при растворении нитрата калия $KNO_3$), а гидратация частиц сопровождается выделением тепла (экзотермический процесс, например, при растворении серной кислоты $H_2SO_4$ и гидроксида натрия $NaOH$)

Нестойкие химические соединения переменного состава, образующиеся при химическом взаимодействии частиц (молекул или ионов) растворённого вещества с полярными диполями воды.

• При выпаривании водных растворов многих солей гидраты кристаллизуются вместе с молекулами воды, образуя устойчивые кристаллические вещества — кристаллогидраты (например, белый порошок безводного $CuSO_4$ при растворении гидратируется до ярко-синего аквакомплекса, а при кристаллизации даёт синий медный купорос $CuSO_4 \cdot 5H_2O$)

Соединения переменного состава, образующиеся в процессе химического взаимодействия частиц растворённого вещества с молекулами любого неводного растворителя (спирта, эфира, бензола).

Физико-химическая величина, показывающая отношение массы растворённого вещества к общей массе приготовленного раствора, выражаемая в долях единицы или процентах.

• Расчётная формула:

$$w(\text{в-ва}) = \frac{m(\text{в-ва})}{m(\text{р-ра})} \cdot 100\%$$

• Суммарная масса раствора складывается из масс его компонентов:

$$m(\text{р-ра}) = m(\text{в-ва}) + m(\text{р-ля})$$

• Связь массы раствора с его объёмом ($V$) через плотность ($\rho$):

$$m(\text{р-ра}) = V(\text{р-ра}) \cdot \rho(\text{р-ра})$$

Великий русский учёный-энциклопедист, химик и физик, создатель фундаментальной химической теории растворов и открыватель Периодического закона химических элементов. Экспериментально доказал, что растворение представляет собой глубокий химический процесс взаимодействия растворённого вещества с растворителем с образованием гидратов.

• В 1887 году разработал и экспериментально обосновал химическую (гидратную) теорию растворов, доказав, что процесс растворения сопровождается химическим взаимодействием между частицами растворённого вещества и молекулами воды.
• В качестве прямых доказательств химической природы растворения привёл изменение цвета при гидратации безводного белого сульфата меди(II) в синий раствор, а также резкие тепловые эффекты — выделение тепла при растворении серной кислоты или щелочей и поглощение тепла при растворении нитрата калия.
• Сформулировал современное научное представление о растворах как однородных системах переменного состава и ввёл понятие о гидратах и сольватах как продуктах химического связывания растворённого вещества с молекулами растворителя.

Выдающийся нидерландский химик и физикохимик, один из создателей классической физической теории растворов и первый в истории лауреат Нобелевской премии по химии (1901). Рассматривал растворение как процесс механической диффузии частиц растворённого вещества между молекулами растворителя.

• Разработал классическую физическую теорию растворов, согласно которой растворение является чисто физическим процессом равномерного распределения и тепловой диффузии частиц растворённого вещества в объёме растворителя.
• В доказательство физической концепции подчёркивал, что образующиеся при растворении гидраты и сольваты не обладают строго постоянным стехиометрическим составом, что принципиально отличает растворы от обычных химических соединений.
• Экспериментально доказал применимость законов идеального газа к разбавленным растворам веществ, заложив основы учения об осмотическом давлении и термодинамике растворов.

Выдающийся шведский физикохимик, один из основоположников физической химии, лауреат Нобелевской премии по химии (1903) и автор фундаментальной теории электролитической диссоциации. Активно развивал физическую теорию растворов, объясняя их свойства диффузией частиц и отсутствием у растворов постоянного химического состава.

• Выступил последовательным сторонником физической теории растворов, утверждая, что растворение сводится к взаимной диффузии частиц растворённого вещества между молекулами растворителя без протекания химических реакций.
• Вместе с Вант-Гоффом отстаивал положение о том, что растворы представляют собой системы переменного состава, в которых образующиеся ассоциаты не подчиняются закону постоянства состава химических соединений.
• Внёс решающий вклад в развитие учения о растворах, сформулировав концепцию распада электролитов на ионы при растворении в воде и заложив основы современной электрохимии.

1. Определение растворов:

Растворы — это гомогенные (однородные) системы переменного состава, состоящие из растворителя, растворённого вещества и продуктов их взаимного химического взаимодействия. В современной науке растворение признано физико-химическим процессом: оно сочетает физическую диффузию частиц растворённого вещества по всему объёму растворителя и химическое связывание этих частиц с диполями растворителя.

2. Что представляют собой гидраты:

Гидраты — это непрочные химические соединения переменного состава, возникающие в результате взаимодействия ионов или молекул растворённого вещества с молекулами воды (в случае неводных растворителей такие соединения называют сольватами).

• Доказательством химической гидратации служат изменение окраски (белый безводный сульфат меди(II) $CuSO_4$ в воде становится ярко-голубым) и тепловые эффекты растворения (выделение тепла при гидратации $H_2SO_4$ или $NaOH$ и поглощение при растворении $KNO_3$).
• При удалении влаги многие гидраты образуют твёрдые кристаллы с фиксированным числом молекул связанной воды — кристаллогидраты (медный купорос $CuSO_4 \cdot 5H_2O$, глауберова соль $Na_2SO_4 \cdot 10H_2O$, кристаллический гипс $CaSO_4 \cdot 2H_2O$).

1. Формула и физический смысл:

Массовой долей растворённого вещества ($w$) называют отношение массы растворённого вещества к общей массе приготовленного раствора. Она выражается в долях единицы:

$$w(\text{в-ва}) = \frac{m(\text{в-ва})}{m(\text{р-ра})}$$

или в процентах:

$$w(\text{в-ва}) = \frac{m(\text{в-ва})}{m(\text{р-ра})} \cdot 100\%$$

При этом масса раствора всегда равна сумме масс растворённого вещества и растворителя:

$$m(\text{р-ра}) = m(\text{в-ва}) + m(\text{р-ля})$$

Если задан объём жидкого раствора $V(\text{р-ра})$ и его плотность $\rho(\text{р-ра})$, массу раствора находят по формуле:

$$m(\text{р-ра}) = V(\text{р-ра}) \cdot \rho(\text{р-ра})$$

2. Примеры решения типовых расчётных задач параграфа:

• Задача на нахождение массы растворённого вещества:

Какая масса уксусной кислоты содержится в 150 г столового уксуса с массовой долей кислоты 3,5%?

Дано:

$m(\text{р-ра}) = 150\text{ г}$

$w(\text{кислоты}) = 3{,}5\%$ ($0{,}035$)

Найти:

$m(\text{кислоты}) - ?$

Решение:

$$w(\text{кислоты}) = \frac{m(\text{кислоты})}{m(\text{р-ра})} \cdot 100\% \implies m(\text{кислоты}) = \frac{w(\text{кислоты}) \cdot m(\text{р-ра})}{100\%}$$

$$m(\text{кислоты}) = 150\text{ г} \cdot 0{,}035 = 5{,}25\text{ г}$$

Ответ: $m(\text{кислоты}) = 5{,}25\text{ г}$.

• Задача с переводом объёма газа через молярный объём:

В 400 мл воды растворили 112 л аммиака $NH_3$ (н. у.). Рассчитайте массовую долю растворённого вещества в полученном растворе.

Дано:

$V(H_2O) = 400\text{ мл}$

$V(NH_3) = 112\text{ л}$

$\rho(H_2O) = 1\text{ г/мл}$

$V_m = 22{,}4\text{ л/моль}$

$M(NH_3) = 17\text{ г/моль}$

Найти:

$w(NH_3) - ?$

Решение:

• Количество вещества аммиака:

$$n(NH_3) = \frac{V(NH_3)}{V_m} = \frac{112\text{ л}}{22{,}4\text{ л/моль}} = 5\text{ моль}$$

• Масса аммиака:

$$m(NH_3) = n(NH_3) \cdot M(NH_3) = 5\text{ моль} \cdot 17\text{ г/моль} = 85\text{ г}$$

• Масса воды:

$$m(H_2O) = V(H_2O) \cdot \rho(H_2O) = 400\text{ мл} \cdot 1\text{ г/мл} = 400\text{ г}$$

• Масса полученного раствора:

$$m(\text{р-ра}) = m(H_2O) + m(NH_3) = 400\text{ г} + 85\text{ г} = 485\text{ г}$$

• Массовая доля аммиака:

$$w(NH_3) = \frac{m(NH_3)}{m(\text{р-ра})} \cdot 100\% = \frac{85\text{ г}}{485\text{ г}} \cdot 100\% \approx 17{,}5\%$$

Ответ: $w(NH_3) \approx 17{,}5\%$.