Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE 2
NUMPAGES 5 БХ-1 FILENAME Лекция № 11Растворы неэлктрролитов 2010.doc
РАСтВОРЫ неэлектролитов
1. Диффузия в растворах
2. осмос и осмотическое давление
3. Температуры замерзания и кипения разбавленных растворов
1. Диффузия в растворах
Как известно, в смесях газов и в растворах частницы равномерно распределяются по всему объему. Например (рис. 1. СЛ. 1(0)),
а б в
Рис. 1 . Объяснение процесса диффузии
если на концентрированный раствор сахара осторожно налить слой чистой воды, то молекулы сахара, совершая хаотическое тепловое движение, постепенно равномерно распределяются по всему объему жидкости. Одновременно и молекулы воды проникают в раствор сахара, разбавляя его. Оба эти процесса идут самопроизвольно и до тех пор, пока не произойдет полного выравнивания концентрации сахара во всем объеме раствора. Самопроизвольный процесс переноса вещества, в результате которого устанавливается равновесное распределение концентраций вследствие беспорядочного теплового движения молекул, атомов и ионов в газах, жидкостях или твердых телах, называется диффузией. Диффузия имеет место и при смешивании растворов различных концентраций, а также в твердых телах и газах. Причем, скорость ее в газах наибольшая, а в твердых телах наименьшая.
Как правило, диффузия частиц совершается из области большей их концентрации в область меньшей концентрации, т, е. количество частиц растворенного вещества, проходящих в единицу времени в сторону меньшей концентрации, Больше, чем в обратном направлении.
Диффузия может быть выражена количественно рис. 2. СЛ. 1(1).
Рис.2.
Представим себе, что на некотором расстоянии х1 от дна сосуда концентрация растворенного вещества (например, сахара) равна С1, а на расстоянии х2. эта концентрация равна С2. По условию С1 больше С2, а х2 больше х1, т.е. раствор является более концентрированным у дна сосуда. В на шем случае градиент концентрации, т. е. СЛ. 2(0) изменение концентрации, приходящееся на единицу расстояния, будет равно:
Знак минус в этом уравнении вызван тем, что С1 > С2.
СЛ. 2(1)На основании закона Фика количество растворенного вещества т, которое проходит за время через воображаемую площадь поперечного сечения сосуда S, находящуюся посередине между концентрациями С1 и С2, будет равно:
где D — коэффициент диффузии, численно равный количеству вещест ва, диффундирующего за единицу времени через 1 см2 поверхности раз дела при градиенте концентрации, равном 1. СЛ. 3(0)Для коэффициента диффу зии Эйнштейн вывел следующее уравнение:
где R — универсальная газовая постоянная, Т — абсолютная тем пература, N0 — число Авогадро, — вязкость растворителя, r — радиус диффундирующих частиц.
СЛ. 3(1)Объединяя уравнения (*) и (**), получим:
где выражение m/ — скорость диффузии, т. е. количество растворен ного вещества т, проходящего в единицу времени через площадь се чения S.
Из уравнения (***) видно, что скорость диффузии возрастает при повышении температуры и градиента концентрации и уменьшается при увеличении вязкости среды и радиуса диффундирующих частиц. Отсюда следует, что вещества с большим молекулярным весом будут иметь сравнительно малые коэффициенты диффузии.
2. осмос и осмотическое давление
Диффузия может проходить также, если на границе раствора и чи стого растворителя (или двух растворов различной концентрации) по местить полупроницаемую перегородку — мембрану. Полупроницае мые перегородки способны пропускать только молекулы растворителя и не пропускают молекулы растворенного вещества. Свойством полу проницаемости обладают многие природные пленки (стенки клеток живых и растительных организмов, стенки кишечника, протоплазма и др.), а также пленки искусственного происхождения (целлофан, пергамент, пленки из коллодия, желатины). Односторонняя само произвольная диффузия молекул растворителя через полупроницае мую мембрану в раствор или из раствора с низкой концентрацией в раствор с высокой концентрацией называется осмосом.
Процесс осмоса очень сложен и природа его в настоящее время еще недостаточно выяснена.
Механизм осмоса может быть различен и зависит в основном от при роды мембраны. В одних случаях мембрана взаимодействует с раство рителем, образуя с ним непрочные соединения промежуточного харак тера. В других случаях через мембрану могут свободно проходить только те вещества, которые обладают способностью растворяться в ней. Мембрана может представлять собой просто пористую перего родку с порами определенного размера. Осмос можно наблюдать в спе циальных приборах, которые называются осмометрами. Простейшая схема осмометра приведена на рис. 3 СЛ. 4).
Основной его деталью является осмометрическая ячейка заполненная раствором (2), отделенная от сосуда с чистым раство рителем (1) полупроницаемой мембраной (3), пропускающей только молекулы растворителя, но не растворенного вещества. Ячейку с концентрирован ным раствором погружают в сосуд с растворителем — менее концентри рованным раствором. Спустя некоторое время отмечается значительное повышение уровня жидкости в трубке. Объясняется это тем, что с по верхностью мембраны снизу сталкивается больше молекул раствори теля, чем сверху, так как сверху часть поверхности занята также мо лекулами растворенного вещества, не проникающего сквозь мембрану. Поэтому в единицу времени вверх переходит значительно больше молекул растворителя, чем в обратном направлении.
Рис.3. Схема осмометра— прибора для определения осмотического давления: 1 — вода; 2 — раствор; 3 — полупроницаемая мембрана
В этом случае мы сталкиваемся с про явлением одного из общих свойств есте ственных самопроизвольных процессов: в природе самопроизвольно протекают про цессы, направленные в сторону выравни вания в системе температур, давлений, электрических потенциалов, концентраций и т. д. Эти процессы находятся в полном соответствии со вторым началом термоди намики. Концентрация растворителя в со суде 2 больше, чем в ячейке, и поэтому поток растворителя направлен в сторону ячейки. Уровень жидкости в осмометрической трубке будет повышаться, пока гид ростатическое давление столба жидкости высотой h не задержит осмос. В этом слу чае уравновешиваются скорости прохож дения растворителя из наружного сосуда в ячейку и из ячейки в наружный раст вор, подъем жидкости в осмометре прекра щается. Гидростатическое давление, кото рое надо приложить к раствору, что бы задержать осмос, называют осмотическим давлением. Осмотическое давление растворов обычно измеряют или рассчитывают по отношению к чистому растворителю. Измеряется осмотическое давление в атмосфе рах или в миллиметрах ртутного столба (н/м2).
Как показали исследования, осмотическое давление зависит в первую очередь от концентрации раствора и может достигать больших значений. Так, 6%-ный раствор сахара имеет осмотическое давление 60 800 н/м2, морская вода 2 840 000 н/м2, рассолы самосадочных озер—более 20 300 000 н/м2.
3. Температуры замерзания и кипения разбавленных растворов
Опыт показывает, что температура замерзания и кипения раст воров зависит от давления пара над ними. Еще М. В. Ломоносов об наружил, что растворы замерзают при более низкой и кипят при бо лее высокой температуре, чем чистые растворители. Понижение тем пературы замерзания раствора связано с понижением давления (уп ругости) пара растворителя над раствором.
Как известно, жидкость закипает при той температуре, при которой давление ее насыщенного пара становится равным атмосферному давлению. Так, очищенная вода при атмосферном давлении замерзает при температуре 0°С и кипит при 100°С. Стоит растворить в воде ка кое-либо вещество, как давление ее пара понизится. Чтобы раствор закипел, необходимо нагреть его до температуры выше 100°С, т.к. только при более высокой температуре давление пара станет равным атмосферному давлению. Чем больше концентрация растворенного вещества, тем при более высокой температуре будет кипеть раствор.
Температура замерзания растворов также отличается от темпе ратуры замерзания чистых растворителей. Известно, что жидкость замерзает при той температуре, при которой давление пара вещества в твердом состоянии становится равным давлению пара этого же веще ства в жидком состоянии. Например, при 0°С давление пара льда (613,3 н/м2) равно давлению пара воды. Лед и вода могут одновременно сосуществовать друг с другом при температуре, которая носит назва ние температуры замерзания.
Если взять какой-то водный раствор, то вследствие понижения дав ления пара при 0° С он будет обладать меньшим, чем 613,3 н/м2, дав лением пара. По этой причине лед, опущенный в такой раствор, будет быстро таять. Лишь при некоторой температуре, лежащей ниже О°С, давление пара над раствором уменьшится настолько, что станет рав ным давлению пара льда при той же температуре. Таким образом, раствор будет замерзать при более низкой температуре, чем чистый растворитель. Например, раствор, содержащий 10 г поваренной соли в 100 г воды, замерзает, не при 0°С, а при -13,6°С, морская вода – при -2,5°С.
Второй закон Рауля.
Рассмотрим простейший вывод этого закона. На рис. 4 СЛ. 5 показана диаграмма, выражающая зависимость давления насыщенного пара от температуры над чистым растворителем и над раствором.
Рис.4.
Кривая АС показывает повышение давления пара воды с увеличением темпера туры. Кривая АВ — давление пара льда в зависимости от температу ры, а кривая ВО показывает повышение давления пара над раствором при возрастании температуры. В точке А происходит пересечение кри вых АВ и АС. В этой точке давление пара над раствором и давление пара льда будут одинаковыми, поэтому соответствующая данной точке температура 0°С и будет точкой замерзания чистой воды. Точку А еще называют тройной точкой, так как при этой температуре одновременно сосуществуют три фазы: жидкая (вода), твердая (лед) и газообразная (пар).
Из рис. 3 видно, что давление пара над раствором при 0°С ниже, чем у чистого растворителя (воды), но оно не равно давлению пара льда при той же температуре. Лишь при температуре, ниже нуля давление пара над раствором уменьшается настолько, что стано вится равным давлению пара льда при той же температуре. Этому со ответствует точка В, которая и является точкой замерзания раствора данной концентрации. При более высоких концентрациях раствора кривые, выражающие зависимость давления пара раствора от темпе ратуры, располагаются ниже кривой АС, но параллельно ей.
Обозначим давление пара при 0° С чистого растворителя через Р0, а раствора при температуре его замерзания через Р. Далее из точки В параллельно оси абсцисс проведем линию до пересечения с пер пендикуляром, опущенным из точки А. Пересечение этих прямых обозначим буквой К (рис. 4).
СЛ. 6(0)Из прямоугольного треугольника ВАК определяем:
СЛ. 6(1)Из рис. 4 видно, что АК = Р0 - Р, ВК = t- t0 = t где t — понижение температуры замерзания раствора. СЛ. 6(2)Подставляя эти значе ния в уравнение (****), получим:
СЛ. 6(3) Из первого закона Рауля для сильно разбавленных растворов имеем:
СЛ. 7(0)Подставив, объединив последние два уравнения, получим:
где п0 и n — соответственно число молей воды и растворенного вещества. СЛ. 7(1)Если через W обозначить вес растворителя (воды) в граммах, а М0 — молекулярный вес растворителя, то n0=W/M0, а так же K=P0M0/1000tg получим:
СЛ. 7(2)Выражение 1000n/W представляет собой не что иное, как моляльность раствора (m), т. е.
Подставив это выражение в уравнение (*****), получим окончательное уравнение:
tз=Km или tк=Еm
Это и есть математическое выражение второго закона Рауля: понижение температуры замерзания или повышение температуры кипения раст воров прямо пропорционально его моляльной концентрации.
Коэффициент K носит название криоскопической постоянной. Она представляет собой вели чину, характерную для данного растворителя, и показывает пониже ние температуры замерзания, вызываемое растворением одного моля вещества (неэлектролита) в 1000 г этого растворителя.
Аналогична криоскопической постоянной константа кипения или эбулиоскопическая постоянная. Она харак терна для данного растворителя и показывает на сколько градусов повышается температура кипения при растворении одного моля не электролита в 1000 г растворителя.