Сущность процесса растворения. Термодинамика процесса растворения.

Растворение веществ часто происходит с выделением или поглощением теплоты, иногда с изменением объема. Основоположником теории растворов является Д.И. Менделеев. Сущность процесса растворения сводится к следующему:

· В растворах между компонентами раствора имеется взаимодействие, что приводит к образованию нестойких соединений переменного состава. Эти соединения растворенного вещества и растворителя называется сольватами, если растворитель – вода, то их называют гидратами.

· Раствор является динамической системой, в котором распадающиеся соединения находятся в подвижном равновесии с продуктами распада в соответствии с законом действующих масс.

· Сольватация (гидратация) обусловлена силами Ван-дер-Ваальса, действующими между растворенными веществом и растворителем. Сольватация протекает тем лучше, чем более полярны молекулы, составляющие раствор. Вода - хороший растворитель, так как её молекулы сильно полярны. Гидратная вода может быть связана с молекулами твердого вещества и входить в состав кристаллов (кристаллогидраты): CuSO4 ∙ 5 H2O –медный купорос, CaSO4 ∙ 2 H2O – гипс.

Процесс растворения можно выразить схемой:

растворенное вещество + растворитель вещество в растворе ∆ Н .

Тепловой эффект, сопровождающий процесс растворения, относящийся к 1 молю растворенного вещества называется молярной теплотой растворения ∆ Н раств.

∆Н раств. = ∆Н 1 + ∆Н 2

∆Н 1> 0 - количество теплоты, затраченной на распределение частиц растворяемого вещества среди молекул растворителя (процесс эндотермический).

∆Н 2 < 0 - тепловой эффект сольватации (процесс экзотермический).

Тепловой эффект сольватации - количество теплоты, которая выделяется при взаимодействии растворенного вещества с молекулами растворителя и образование связей между ними.

для твердого вещества:

∆Н1> 0 -энергия необходимая для разрушения кристаллической решетки и энергия необходимая для разрыва связей между молекулами растворителя (процесс эндотермический).

В зависимоссти от того преобладает первая или вторая составляющие, процесс растворения может быть экзотермический или эндотермический:

если │ ∆Н2 │> │∆ Н1│, процесс экзотермический и ∆Н < 0;    

если │∆Н2 │< │∆ Н1│, процесс эндотермический и ∆Н > 0.    

Способы выражения концентрации растворов

Осмос– односторонняя самопроизвольная диффузия молекул растворителя через полупроницаеумю перегородку из раствора с низкой концентрацией в раствор с более высокой концентрацией.

 Осмотическое давление –это избыточное гидростатическое давление на раствор, отделенный от чистого растворителя полупроницаемой мембраной, при котором прекращается диффузия растворителя через мембрану. Это давление стремится уравнять концентрации обоих растворов вследствие встречной диффузии молекул растворенного вещества и растворителя.

Закон Вант-Гоффа: осмотического давления, определяет давление молекул растворённого вещества на полупроницаемую перепонку, отделяющую раствор от чистого растворителя и непроницаемую для растворённого вещества.

Закон Рауля I :

Относительное понижение давление насыщенного пара растворителя над раствором равно молярной доле растворенного вещества.

                                                       P0-P i* n

P0 = N+n = Nа

P0 – давление пара растворителя

P – давление пара раствора

Na – молярная доля растворенного вещества

i-изотонический коэффициент, i =1 для неэлектролитов, i > 1для электролитов.

.

С понижением давления насыщенного пара растворителя над раствором связаноповышение температуры кипения раствора и понижение температуры его замерзания. Любая жидкость кипит, когда давление насыщенного пара над ней становится равным атмосферному. Так как согласно I закону Рауля давление пара над раствором меньше, чем над раствором растворителя, то для того, чтобы раствор закипел, его нужно нагреть до более высокой температуры, чем растворитель. Таким образом, растворы кипят при более высокой температуре, а замерзают при более низкой температуре, чем чистый растворитель.

∆t кип = t кип р-ра - t кип р-ля

Разность температур кипения раствора и растворителя называется повышением температуры кипения.

∆t зам = t зам р-ля - t зам р-ра

Разность температур замерзания раствора и растворителя называется понижением температуры замерзания.

Закон Рауля II.

Понижение температуры замерзания и повышение температуры кипения не зависят от природы растворенного вещества и прямопропорциональны моляльной концентрации раствора.

∆t кип = i*К_эб*Сm

∆t зам = i*K_кр*Сm

К_эб – эбулиоскопическая константа

К_кр – криоскопическая константа

C_m – моляльная концентрация раствора [моль/кг растворителя]

i-изотонический коэффициент, i =1 для неэлектролитов, i > 1для электролитов.

Изотонический коэффициент (также фактор Вант-Гоффа; обозначается i) — безразмерный параметр, характеризующий поведение вещества в растворе. Он численно равен отношению значения некоторого коллигативного свойства раствора данного вещества и значения того же коллигативного свойства неэлектролита той же концентрации при неизменных прочих параметрах системы.

i-изотонический коэффициент, i =1 для неэлектролитов, i > 1для электролитов.

Электролиты - это вещества растворы или сплавы, которые проводят электрический ток.

Теория электролитической диссоциации Аррениуса:

· При растворении электролитов происходит диссоциация их молекул на заряженные ионы.

· Величина заряда иона совпадает с валентностью атома элементов или кислотного остатка

· Число положительных зарядов равно числу отрицательных, в целом раствор нейтрален

· В процессе диссоциации устанавливается динамическое равновесие между образовавшимися ионами и недиссоциированными молекулами.

Сильный электролит – легко диссоциирует, имеет К_д>1, степень диссоциации d≥3,1%

Слабый электролит – диссоциируется в меньшей степени или не диссоциируется вообще, Кд<1, d≤3,1%