Основы химии 
аА+вВ?сС+dD
К обратимым относятся следующие реакции.
N2+3H2?2NH3
H2+J2?2HJ
2SO2+O2?2SO3
В обратимых реакциях вместо знака равенства ставится взаимнонаправленные
стрелки, указывающие на обратимость процесса.
Обратимые реакции характеризуются химическим равновесием.
Под химическим равновесием понимают не изменение во времени (при
постоянных давлении, объеме и температуре) состояние системы, содержащей
вещества, способные к химическому взаимодействию.
Различают истинное и кажущееся (метастабильное) равновесия.
Истинное химическое равновесие характеризуется тремя признаками:
. в системе не происходит видимых во времени изменений при отсутствии
внешних воздействий;
. равновесие достигается как при прямой, так и при обратной реакции;
. самое малое внешнее воздействие легко смещает равновесие в ту или другую
сторону.
Метастабильным (кажущимся) равновесием является таким состоянием
системы, при котором из-за некоторых “тормозящих” факторов химическая
реакция не доходит до состояния истинного равновесия. Торможение химической
реакции может происходить как в самом начале процесса, так и в некоторый
момент, если возникают тормозящие факторы. Метастабильное равновесие
отличается от истинного тем, что при устранении “тормозящих” факторов,
реакция идет до достижения истинного равновесия. Для истинного равновесия
?G0х.р.=0, а для метастабильного ?G0х.р.).
Изменение внешних условий, при которых система находится в равновесии,
приводит к смещению равновесия в сторону реакции противодействующей
вызванному изменению.
Это универсальное правило сформулировано французским химиком-технологом
Ле Шателье и названо впоследствии принципом Ле Шателье.
. Если на систему, находящуюся в истинном химическом равновесии,
воздействовать из вне путем изменения какого-либо параметра, влияющнго на
равновесие (концентраця, давление, температура), то равновесие смещается
в сторону той реакции, которая способствует востановлению первоначального
состояния системы.
Влияние катализатора.
Катализатор равновесие не смещает, т.к. он не является ни реагентом, ни
продуктом реакции. Катализатор в одинаковой степени изменяет скорость как
прямой, так и обратной реакции. Этим способствует быстрейшему достижению
химического равновесия, т.е. он обеспечивает достижение химического
равновесия за меньший промежуток времени.
11.3. Особенности равновесия в гетерогенных системах.
Реакции между веществами, находящимися в различных агрегатных
состояниях протекает на поверхности раздела фаз. Если в гетерогенной
равновесной системе какое-то вещество находится в твердом состоянии, то
добавление в систему этого вещества не приведет к смещению равновесия, т.к.
концентрация этого вещества постоянна, независима от величины его массы.
Так, для следующей гетерогенной равновесной системы:
FeO(тв)+H2(г)?Fe(т)+H2O(г)
выражение константы равновесия не будет содержать ни оксида железа, ни
железа:
К=[H2O(г)]/[H2(г)]
А для системы:
CO3(тв)?CaO(тв)+CO2(г)
в выражение константы равновесия входит только СО2: К=[СО2]
11.4. Химико-экологические равновесия.
Химическая реакция в любой неживой или живой системе самопроизвольно
протекает только в направлении ведущему к достижению равновесия. После
достижения равновесия изменений в системе не наблюдается. Рассматриваемые
нами ранее системы, системы лабораторных и промышленных масштабов,
относятся к системам закрытого типа. В этих системах, как правило, может
происходить обмен с окружающей средой только энергией, но за границы
системы не происходит проникновение вещества.
Микро- и макро-экосистемы, являются открытыми системами, т.к. они
обмениваются с окружающей средой как энергией, так и веществом.
Существующее или возникающее равновесие в этих системах зачастую носит
временной характер.
Глобальные природные или антропогенные воздействия на установившееся
равновесие в микро- или макроэкосистеме приводит к смещению этого
равновесия и протеканию химических или физикохимических процессов могущих
привести к изменению самой структуры системы. Рассмотрим конкретный пример:
эрозия горных, ландшафтных пород, протекающих под воздействием воды,
углекислого газа и кислорода. Карбонатные составляющие этих пород вступают
в реакцию с водой и углекислым газом.
CaCO3+H2O+CO2?Ca(HCO3)2
Мы знаем, что подобные реакции идут медленно и достигают равновесия. Но в
природе процесс ускоряется и равновесие смещается вправо. Поступающий с
атмосферными осадками к карбонатным породам (растворимый в воде) углекислый
газ и отвод в окружающую среду продукта реакции Ca(HCO3)2 вызывает сдвиг
равновесия и разрушению горных пород.
В экосистемах без антропогенного воздействия длительное время могут
существовать псевдоравновесия, т.е. кажущиеся равновесия. Например, такие
микроэкосистемы как сухая древесина, каменный уголь, торф, нефть из-за
высокой энергии активации находятся в равновесии с окружающей средой.
Однако в результате нарушения этого псевдоравновесия загораются
торфяники, залежы угля, газовые или нефтяные месторождения.
Реакции в открытых системах очень часто являются необратимыми (хотя в
закрытых системах эти процессы являлись бы равновесными). Это обусловлено
прежде всего тем, что часть конечного продукта удаляется, выводится из
сферы взаимодействия и он уже не может участвовать в обратной реакции.
Даже такие микросистемы как растущее и гниющее дерево можно
рассматривать с позиции открытых систем. Растущее дерево постоянно
поглощает питательные вещества (химические соединения), углекислый газ,
воду и энергию, этим процессом оно создает растительную ткань и выделяет
кислород. Процесс односторонний – дерево растет.
Гниющее дерево, наоборот, поглощает кислород и выделяет углекислый газ,
воду и энергию. Гниение – процесс, который идет до конца, т.к. продукты
реакции удаляются, их концентрация никогда не достигает равновесного
значения. Энергия рассеивается.
Глава 12.
Растворы.
12.1. Общая характеристика растворов. Классификация.
Если кто-то предполагает, что жидкофазное состояние вещества является
раствором, допускает ошибку. Растворы бывают не только жидкими, но твердыми
и газообразными. Отличительной особенностью раствора является то, что они
состоят из двух и более веществ, причем эти вещества настолько перемешаны,
что составляют гомогенные системы. В отличии от растворов жидкое состояние
вещества содержит молекулы одного типа. (Дистиллированная вода – молекулы
H2O, толуол – молекулы С6Н5–СН3 и тд.)
Раствором называется гомогенная система (гомогенная смесь), состоящая
из двух и более компонентов, одним из которых является растворителем, а
остальные – растворимые вещества. Схематично состав раствора можно
представить так:
Раствор (гомогенная смесь) = Растворимое вещество +
Растворитель
компоненты раствора
Растворителем является то вещество, которое находится в таком же
агрегатном состоянии, что и раствор. Типы растворов приведены в следующей
таблице.
Таблица 12.1.
|Тип |Компоненты раствора |Примеры |
|раствора |(агрегатное состояние) |растворов |
| |Растворитель |Растворимое | |
| | |вещество | |
|газовый* |газ |газ |воздух |
| |жидкость |газ |кислород в воде, соляная кислота|
|жидкость | | | |
| |жидкость** |жидкость |спирт в воде |
| |жидкость |твердое |соль в воде |
| |твердый |газ |раствор водорода в платине |
|твердый*** | | | |
| |твердый |жидкость |ртуть в серебре (амальгама) |
| |твердый |твердый |серебро в золоте |
Примечание к таблице 12.1.
* Газовые растворы обычно называют газовыми смесями.
** Если оба вещества являются жидкостями, то раствором выступает та
жидкость, которой больше.
*** Твердые растворы бывают двух типов: растворы внедрения и растворы
замещения. Растворы внедрения образуются в том случае, когда молекулы
растворяемого вещества в два и более раза больше, чем молекулы
растворителя. В этом случае молекулы внедряются в кристаллическую решетку
растворителя и занимают место в пространстве между узлами решетки. Примером
раствора внедрения является раствор водорода в платине. В растворах
замещения атомы растворяемого вещества замещают часть атомов растворителя в
узлах решетки. Такие растворы образуются в случае близости размеров атомов
растворителя и вещества. Примером является раствор серебра в золоте.
В первом случае, когда растворителем является жидкость, в среде которой
растворяемое вещество “раздробляется” до молекул (или атомов) и
распределяется в ней в виде нейтральных частиц, образуются растворы
неэлектролитов. Примером раствора неэлектролита может быть раствор сахара в
воде. Во втором случае, когда в жидком растворителе, например в воде,
растворяемое вещество, кроме обычного растворения, еще и распадается
(диссоциирует) на ионы, которые распределяются в среде растворителя,
образуются растворы электролитов. Примером тагого раствора электролита
может быть раствор поваренной соли (NaCl) в воде.
Растворы электролитов проводят электрический ток, их называют
проводниками второго рода, т.к. они обладают ионной проводимистью.
Вещества, не диссоциирующие на ионы под действием растворителя,
называются неэлектролитами. К ним относится большое число органических
соединений, содержащие неполярные или слабо полярные молекулы (сахар,
крахмал, глюкоза). Растворы неэлектролитов не проводят электрический ток.
Электролитами называют вещества, растворы или расплавы которых проводят
электроток. Электролитами являются вещества с ионной и сильно полярными
ковалентными связями.
12.2. Растворимость. Факторы влияющие на растворимость.
Растворимостью называется способность вещества растворятся в данном
растворителе при данной температуре.
Различают:
. неограниченную растворимость (вода – спирт, жидкие KCl – KBr).
. ограниченная (вода – эфир, жидкие LiCl – KCl).
. практическое отсутствие растворимости (вода – керосин, жидкие LiF –
CsCl).
Мерой растворимости является концентрация вещества (его содержание) в
насыщенном растворе.
Растворы бывают: насыщенные, пересыщенные и ненасыщенные. Насыщенным
считается раствор, который находится в равновесии с растворяемым веществом.
В насыщенном растворе содержится предельное при данных условиях количество
растворенного вещества. Раствор является пересыщенным, если в нем
содержится растворенного вещества больше, чем расчитано по растворимости.
Раствор, содержащий вещества меньше, чем определено по растворимости,
называется ненасыщеным.
На практике растворимость вещества выражается величиной, называемой
коэффициентом растворимости. Коэффициент растворимости показывает массу
вещества, насыщаемую при данной температуре 100 граммов растворителя.
Растворимость некоторых веществ в воде представлена в таблице 12.2.
Таблица 12.2.
|Вещество |Растворимость: масса вещества (г) в 100 г воды при температурах |
| |00C |100C |200C |400C |600C |800C |1000C |
|SO2 |22,83 |16,21 |11,29 |5,41 |3,2 |2,1 |– |
|NH3 |89,7 |68,3 |52,9 |31,6 |16,8 |6,5 |0 |
|CuSO4 |14,3 |17,4 |20,7 |28,5 |40,0 |55,0 |75,4 |
|K2SO4 |7,35 |9,22 |11,11 |14,76 |18,17 |21,4 |24,1 |
|Al2(SO4)3 |31,2 |33,5 |36,4 |45,7 |59,2 |73,1 |89,0 |
|NaCl |35,7 |35,8 |36,0 |36,6 |37,3 |38,4 |39,8 |
|NH4Cl |29,4 |33,3 |37,2 |45,2 |55,2 |65,6 |77,3 |
|KNO3 |13,3 |20,9 |31,6 |63,9 |110,0 |169 |243 |
|KNO2 |278,8 |– |298,4 |334,9 |350 |376 |412,9 |
Процесс растворения протекает в две стадии. На первой стадии происходит
разрушение агрегатного состояния растворяемого вещества. На этой стадии
происходит затрата энергии. Энтальпия первой стадии процесса растворения
имеет знак плюс.
?HI>0
На второй стадии процесса растворения происходит образование сольватов (в
частном случае гидратов), т.е. группировок, состоящих из молекул (ионов)
растворяемого вещества, окруженных молекулами растворителя. Процесс
сольватации сопровождается выделением теплоты. Энтальпия второй стадии
процесса растворения идет со знаком минус.
?HII0) наблюдается при растворении твердых веществ.
Например, растворение в воде Na2S2O3*7H2O приводит к сильному охлаждению
раствора. И, наоборот, если растворяются газы или жидкости в жидких
растворителях, то процесс сольватации выделяет значительно больше энергии,
чем ее затрачено на первой стадии процесса (?HII>?HI) раствор сильно
нагревается. Этот тепловой эффект процесса растворения называется
экзоэффектом. (?Hраств0).
Рассмотрим несколько частных случаев.
а). Растворимость твердых веществ в жидкостях.
С повышением температуры растворимость твердых веществ
увеличивается, так на разрушение кристаллической решетки твердого тела
расходуется энергии больше, чем ее выделяется при сольватации
(гидротации). ?HI>?HII. Однако степент увеличения растворимости от
температуры различна (табл.12.2.). В некоторых случаях кривая
растворимости может проходить через своеобразный максимум. Примером
может служить растворимость сульфата натрия в воде.
б). Растворимость газов.
При повышение температуры растворимость газа в жидком растворителе
уменьшается, т.к. в данном случае процесс растворения экзотермический,
он сопровождается выделением теплоты (?Hраств<0). По принципу Ле
Шателье равновесие в данном случае смещается влево, и концентрация газа
в растворе уменьшается. Поэтому, например, на стенках стакана воды,
принесенного с улицы в теплое помещение, появляются пузырьки воздуха,
из-за уменьшения растворимости газа (воздуха) при повышении
температуры.
Если говорить о растворимости газов в жидкостях, то необходимо
отметить, что она различна. Некоторые газы очень мало растворимы в воде
(азот, водород), расворимость других газов – очень велика. Значительную
растворимость аммиака в воде можно объяснить его химическим взаимодействием
с водой.
На растворимость газов сильно влияет давление. Зависимость
растворимости газов от давления выражается законами Дж. Генри и Дж.
Дальтона.
1.
. Масса газа, растворяющегося в данном объеме жидкости,
пропорциональна давлению, которое газ производит на жидкость.
По другому, закон Генри можно сформулировать и так:
. Растворимость газа при постоянной температуре прямопропорциональна
его порциальному давлению над раствором.
Х=КР
Здесь Х– молярная доля растворенного вещества в насыщенном растворе. К–
коэффициент пропорциональности (константа Генри), Р– парциальное давление.
2. Объем газа, растворяющегося в данном объеме жидкости не зависит от
давления.
(Например, при 200С и 1атм в 100г воды растворяется 0,17г диоксида
углерода. При увеличении давления в два раза масса растворяющегося газа
тоже увеличивается в два раза и будет равной 0,34г. В тоже время объем
газа не изменяется).
3. При растворении смеси газов растворимость каждой составной части
пропорциональна своему порциальному давлению (той части общего
давления в газовой смеси, которая обусловлена данным газом).
Следует отметить, что эти законы имеют ограничения. Они справедливы только
для сравнительно разбавленных растворов, невысоких давлений и отсутствия
химического взаимодействия между молекулами газа и растворителя. Газы,
вступающие в химическое взаимодействие с водой, этим законам не
подчиняются. Но, в принципе, растворимость газа при нагревании обычно
уменьшается, а с увеличением давления повышается.
в). Растворимость жидкостей в жидкостях.
Интервал растворимости жидкостей в жидких растворителях значительный.
Одни из них смешиваются в любых отношениях (например вода и спирт). Вторые
растворяются друг в друге до определенного предела. (Так, если смешать эфир
с водой, то образуется два слоя: верхний слой представляет собой насыщенный
раствор воды в эфире, а нижний – насыщенный раствор эфира в воде. С
увеличением температуры частичная растворимость двух жидкостей друг в
друге, как правило, возрастает.
3. Присутствие посторонних веществ.
Как правило посторонние вещества своим присутствием в растворе уменьшают
растворимость данного вещества. Уменьшение растворимости вещества в
присутствии солей обычно называют ”высаливанием”. Так же происходит
уменьшение растворимости малорастворимых электролитов, если ввести в их
насыщенный раствор одноименные ионы.
4. На скорость процесса растворения влияют степень диффузии
растворяемого вещества в среду растворителя (необходимо применение
перемешивания) и дисперстность (степень измельчения) твердого
вещества.
11.3. Способы выражения концентраци растворов.
Важной характеристикой любого раствора является относительное
содержание в нем растворенного вещества и растворителя, которое называется
концентрацией. Количественно концентрация может выражаться разными
способами: отношением масс, объемов, числа молей, отношением массы к объему
и, наоборот, числа молей к массе или объему и т.д. Одни способы выражения
концентрации относятся к так называемым весовым способам, а другие –к
объемным. На практике используют более десятка (точнее тринадцать) способов
выражения концентрации.
1. Массовая доля: Nm=m/m+m0 (отношение массы растворенного вещества
“m” к массе раствора, т.е. сумме
масс ве-
щества и растворителя (m0)).
2. Мольная доля: Nn=n/n+n0 (отношение числа молей
растворенного ве-
щества “n” к сумме числа молей
вещества и растворителя).
3. Объемная доля: Nv=v/v+v0 (отношение объема растворенного
вещества
к сумме объемов вещества и
растворителя).
4. Массовый процент: m/m+m0*100, %
(обычно этот способ называют
процентной концентрацией).
5. Мольный процент: n/n+n0*100, %.
6. Объемный процент: v/v+v0*100, %.
7. Массовое отношение: m/m0 (отношение массы вещества к массе
раство-
рителя).
8. Объемное отношение: v/v0 (отношение объема растворенного
вещества
к объему растворителя).
9. Мольное отношение: n/n0 (отношение числа молей
растворенного ве-
щества к числу молей растворителя).
10. Молярная концентрация (или молярность).
Определяется отношением числа молей растворенного вещества к объему
раствора, выраженному в литрах. Физический смысл молярной концентрации
заключается в том, что она указывает на число молей вещества
содержащегося в 1литре его раствора. Обозначают М или См.
11. Нормальная концентрация (или нормальность).
Определяется отношением числа эквивалентов растворенного вещества к
объему раствора, выраженному в литрах. Физический смысл нормальной
концентрации заключается в том, что она указывает на число эквивалентов
растворенного вещества, содержащегося в 1литре раствора. Обозначают Н
или Сн.
12. Моляльная концентрация (моляльность).
Определяется отношением числа молей растворенного вещества к массе
растворителя, выражается в килограммах. Физический смысл заключается в
том, что она показывает, сколько молей вещества растворено в 1кг
(1000г) растворителя. Обозначают m или Сm. Моляльность можно расчитать
по следующей формуле: m=1000*a/Ma*b (где а –масса растворенного
вещества в граммах, Ма –молекулярная масса вещества, b –масса
растворителя).
13. Титр. (Т.) указывает на массу в граммах растворенного вещества,
содержащуюся в одном миллилитре (см3) раствора.
Применение того или иного способа выражения концентрации зависит от
решения конкретных практических задач.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
|
